Wasserstoffsystem

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Was ist ein Wasserstoffsystem, und welche Bedeutung hat ein Wasserstoffsystem?

Ein Wasserstoffsystem umfasst die Produktion, den Transport, die Speicherung und die Nutzung von Wasserstoff. Es ist besonders wichtig, eine Technologie für die effektive Produktion, den Transport und die Speicherung von Wasserstoff mit einer geringen Energiedichte zu entwickeln. Wasserstoff gilt als sauberer und vielseitiger Energieträger, da er aus verschiedenen erneuerbaren oder nicht-erneuerbaren und kohlenstoffarmen Quellen hergestellt werden kann, z. B. durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom oder durch Methandampfreformierung mit Kohlenstoffabscheidung und Festkörperspeicherung.

• Erzeugung: Wasserstoff ist in verschiedenen Formen erhältlich, aber die Methode zur Herstellung von reinem Wasserstoff ist der Schlüssel. Zu den Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff gehören Elektrolyse, Vergasung von Biomasse, Dampfreformierung von Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen (einschließlich Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) usw.
• Speicherung: Die Wasserstoffspeicherung ermöglicht das Wachstum der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in stationären, mobilen und Verkehrsanwendungen. Wasserstoff hat von allen Brennstoffen die höchste Energie pro Masse. Der erzeugte Wasserstoff kann auf verschiedene Weise gespeichert werden. Die Technologie für die Wasserstoffspeicherung umfasst Flüssig- und Druckgasspeicher sowie feste Wasserstoffspeichermaterialien. Der flüssige Wasserstoff wird bei einem normalen Siedepunkt von -253 °C bei einem Druck von 1 bar und einer Dichte von 70,8 kg/m3 in kryogenen Behältern gespeichert. Der komprimierte Wasserstoff wird bei einem Druck von 70 MPa für leichte Fahrzeuge und 35 MPa für schwere Fahrzeuge in kohlenstoffverstärkten Speichertanks gespeichert.
• Verteilung: Für den Transport des Wasserstoffs von der Produktionsstätte zum Verwendungsort werden heute gasförmige Schlauchanhänger oder kryogene Flüssigkeitstankwagen eingesetzt. Pipelines werden in Gebieten mit erheblichem Bedarf (Tausend Tonnen pro Tag) installiert, der voraussichtlich über Jahre hinweg konstant sein wird. In Gebieten mit einer sich entwickelnden oder geringen Nachfrage werden Schlauchanhänger, Verflüssigungsfabriken und Tankwagen eingesetzt. Das System von Leitungen, Fahrzeugen oder Schiffen, die Wasserstoff von den Produktionsstätten zu den Endverbrauchern transportieren.
• Anwendung: Wasserstoff hat aufgrund seiner Vielseitigkeit als Energieträger eine breite Palette von Anwendungen in den verschiedenen Sektoren. Einige wichtige Anwendungen:
  • Verkehr: Kraftstoff für wasserstoffbetriebene Pkw, Busse und Lkw sowie möglicherweise für wasserstoffbetriebene Züge und Schiffe.
  • Industrie: Einsatz bei der Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen Chemikalien sowie bei der Ölraffination zur Erzeugung sauberer Kraftstoffe.
  • Energiespeicherung: Speicher, die erneuerbare Energie für die spätere Verwendung nutzen, bieten saisonale Energiespeicherlösungen.
  • Stromerzeugung: Erzeugt Strom durch Brennstoffzellen oder Verbrennung.
  • Heizung: Wird für Heizzwecke in Privathaushalten und im Gewerbe verwendet und bietet eine saubere Alternative zu Erdgas.

Die Nachfrage nach nachhaltigen Energiesystemen wächst, und wasserstoffbasierte Energiesysteme könnten diesen Bedarf decken. Ein wichtiges praktisches Problem ist die sichere und effiziente Speicherung von Wasserstoff, auch wenn die großtechnische Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen letztlich die letzte technologische Hürde darstellt. Es werden derzeit Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um diese Herausforderungen zu bewältigen und das volle Potenzial von Wasserstoff als saubere Energielösung zu erschließen. Gemeinsame Initiativen von Regierungen, Industrie und Wissenschaft sind unerlässlich, um die Einführung von Wasserstoffsystemen zu beschleunigen und ihre Rolle bei der Erreichung der globalen Klima- und Energieziele zu verwirklichen. Als umfassende, langfristige Antwort auf die Energie-, Wirtschafts- und Umweltprobleme der Welt verdient das Wasserstoff-Energiesystem die Unterstützung von nationalen und lokalen Regierungen sowie von Wirtschaftsverbänden.

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Was sind die wichtigsten Vorteile von Wasserstoff als Energieträger im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen?

Das Potenzial von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft bietet verschiedene Vorteile. Wasserstoff stellt einen vielversprechenden Weg zu einer nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energiezukunft dar und bietet Lösungen für die Probleme des Klimawandels, der Luftverschmutzung und der Energiesicherheit. Im Vergleich zu Benzin, das sich bereits bei 501 K entzünden kann, hat Wasserstoff eine relativ hohe Zündtemperatur von 858 K. Selbst wenn er gezündet wird, ist die Temperatur der Wasserstoffflamme niedriger als die der Benzinflamme (22318 K im Vergleich zu 2470 K). Aufgrund seiner geringen Dichte sammelt sich Wasserstoff nicht in Bodennähe an, sondern verflüchtigt sich im Gegensatz zu Benzin und Dieselkraftstoff in der Luft.

• Reichhaltiges Angebot an erneuerbarer Energie: Wasserstoff ist die reichhaltigste verfügbare Energiequelle, auch wenn für seine Herstellung erhebliche Ressourcen erforderlich sein können. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu anderen Energiequellen keine Gefahr besteht, dass sie zur Neige gehen.
• Saubere Energie: Wasserstoff ist eine saubere Energiequelle, die zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und der Umweltverschmutzung beitragen kann, da er mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie hergestellt wird. Bei der Verbrennung von Wasserstoff werden keine Treibhausgase oder andere Schadstoffe freigesetzt. Wasserstoff wird von der Luftfahrtindustrie mit Hilfe von Brennstoffzellen als Trinkwasserquelle genutzt.
• Energie aus Wasserstoff ist ungiftig: Dies bedeutet, dass sie keine negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat. Aufgrund dieser Eigenschaft wird sie gegenüber alternativen Brennstoffquellen wie Erdgas und Kernenergie bevorzugt, die sehr riskant oder schwierig sicher zu nutzen sind. Kernenergie ist fusionsgetriebene Energie. Außerdem kann Wasserstoff an Orten genutzt werden, an denen die Verwendung anderer Brennstoffe verboten ist.
• Effektiver als andere Energiequellen: Wasserstoff hat ein hohes Energie-Gewichts-Verhältnis (etwa dreimal mehr als Benzin, Diesel oder Kerosin), ist aber weniger brennbar als diese Brennstoffe. Im Vergleich zu anderen Brennstoffen liefert Wasserstoff wesentlich mehr Energie pro Gewichtseinheit. Im Vergleich dazu sind Benzinkonzentrationen von nur 1 % in der Luft entflammbar (die Entflammbarkeitsgrenzen von Benzin liegen bei 1-7,6 Vol.-%). Wasserstoff hat eine relativ hohe Zündtemperatur von 858 K im Vergleich zu einer Zündtemperatur von nur 501 K bei Benzin. Wasserstoff verbrennt sogar bei einer niedrigeren Temperatur als Benzin, sobald er angezündet ist.22318 K (einschließlich 2470 K für Kraftstoff).
• Potenziell kann er zur Betankung von Raumfahrzeugen und zukünftigen wasserstoffbetriebenen Autos verwendet werden: Aufgrund seiner enormen Leistung und Effizienz ist Wasserstoff eine perfekte Kraftstoffquelle für Raumfahrzeuge; seine Energie kann Raumfahrzeuge bei Erkundungsmissionen sogar recht schnell antreiben. Diese energieintensive Aufgabe kann mit dieser Energiequelle sicher erledigt werden. Benzin und andere aus fossilen Brennstoffen gewonnene Kraftstoffe sind dreimal weniger leistungsfähig als die Energie des Wasserstoffs. Um ein großes Werk zu vollenden, muss also im Idealfall weniger Wasserstoff verbraucht werden. Derzeit wird im Raumfahrtprogramm der NASA hauptsächlich Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Während Wasserstoff-Brennstoffzellen die elektrischen Systeme des Shuttles antreiben, wird flüssiger Wasserstoff für den Antrieb von Space Shuttles und anderen Raketen verwendet. Auch die Besatzung des Shuttles wird über die Wasserstoff-Brennstoffzelle mit gereinigtem Wasser versorgt.
• Wasserstoff-Brennstoffzellen: Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in Elektrizität um, wobei als einzige Nebenprodukte reines Wasser und Wärme entstehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungstechnologien können wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen den Wirkungsgrad um das Zwei- bis Dreifache steigern, ohne die Umwelt zu belasten. Nahezu alle tragbaren elektronischen Geräte, die normalerweise mit Batterien betrieben werden, können mit Brennstoffzellen betrieben werden. Neben dem Antrieb von Fahrzeugen, Lastwagen, Bussen und Schiffen können sie auch die konventionelle Verkehrstechnik mit zusätzlicher Energie versorgen. Während des Fluges des Space Shuttles liefern diese Brennstoffzellen Strom für die elektrischen Systeme.

Da Wasserstoff sicher aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden kann und im Wesentlichen keine Umweltverschmutzung verursacht, wird er die Elektrizität als wichtigsten Energieträger ablösen. Darüber hinaus wird er als Treibstoff für emissionsfreie Autos, zur Stromerzeugung, zur Beheizung von Gebäuden und zum Antrieb von Flugzeugen verwendet werden. Die Nutzung von Wasserstoff ist vielversprechend, um die Abhängigkeit von ausländischen Energiequellen wie Öl zu verringern. Es müssen jedoch noch eine Reihe neuer Infrastrukturprojekte und Systeme aufgebaut werden, bevor Wasserstoff eine größere Rolle im Energiebereich spielen und Benzin in vielen Anwendungen ersetzen kann.

Welche verschiedenen Methoden der Wasserstofferzeugung gibt es, und wie funktioniert das SMR-Verfahren bei der Herstellung von Wasserstoff?

Eines der stärksten Gase, die wir verwenden, ist Wasserstoff, der in Bussen, Autos, bei Weltraumstarts vom Cape und anderen Anwendungen zum Einsatz kommt. Wasserstoff ist das erste Element im chemischen Periodensystem und gilt als das beste, älteste und reinste Element. Wasserstoff kann mit einer Vielzahl von Techniken hergestellt werden, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile und Verwendungsmöglichkeiten haben. Im Folgenden werden einige der am weitesten verbreiteten Verfahren vorgestellt.

• Methandampfreformierung: Bei dieser Methode wird Methan (CH4) mit Wasserdampf (H2O) bei hohen Temperaturen und hohem Druck in Gegenwart eines Katalysators zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) umgesetzt.
• Elektrolyse von Wasser: Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Es gibt drei Hauptarten der Elektrolyse: Die alkalische Elektrolyse, bei der eine alkalische Elektrolytlösung verwendet wird, die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM), bei der eine feste Polymerelektrolytmembran verwendet wird, und die Festoxid-Elektrolyse (SOE), bei der ein fester Elektrolyt aus Keramik verwendet wird. Die Elektrolyse kann mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie betrieben werden, was sie zu einer nachhaltigen Methode der Wasserstofferzeugung macht.
• Biologische Produktion: Einige Bakterien- und Algenstämme sowie andere Mikroben können durch biologische Prozesse wie Fermentation und Photosynthese Wasserstoff erzeugen. Diese Verfahren befinden sich zwar noch in der Anfangsphase der Forschung und Entwicklung, sind aber vielversprechend für eine ökologisch unbedenkliche und nachhaltige Wasserstoffproduktion.
• Kohlevergasung: Kohle wird vergast, indem sie bei hohen Temperaturen mit Dampf und Sauerstoff kombiniert wird, um Synthesegas zu erzeugen, ein Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und anderen Gasen. Der Wasserstoff kann dann durch weitere Verarbeitung abgetrennt und gereinigt werden. Dieser Ansatz kann sich finanziell noch lohnen und wird in Gebieten mit großen Kohlevorkommen eingesetzt, obwohl er aufgrund der Kohlenstoffemissionen weniger umweltfreundlich ist als andere Lösungen.
• Vergasung von Biomasse: Bei der Vergasung wird fester Biomassebrennstoff in gasförmigen Brennstoff umgewandelt. Es handelt sich um eine substöchiometrische Verbrennung von Brennstoff mit einem Oxidationsmittel. Bei der Vergasung von Biomasse gibt es hauptsächlich vier wichtige Prozesse.
  1. Die Trocknung;
  2. Pyrolyse;
  3. Verbrennung oder Verbrennen und
  4. Reduktionsverfahren. Es findet eine Oxidation von Holzkohle und Pyrolyseprodukten (flüchtige Stoffe) statt, die wiederum zu H2, Co, CH4, CO2, H2O und HHC (höhere Kohlenwasserstoffe) reduziert werden. Es handelt sich um eine heterogene Reaktion zwischen Holzkohle und gasförmigen Gewürzen im Verbrennungsprodukt der Pyrolyse.
• Thermo-chemische Wasserspaltung: Bei thermochemischen Verfahren werden chemische Reaktionen, bei denen Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden, durch Wärme aus Quellen wie Kernreaktoren oder konzentrierter Sonnenenergie angeheizt. Diese Verfahren können bei hohen Temperaturen arbeiten, um effizient Wasserstoff zu erzeugen, und verwenden in der Regel Metalloxide oder andere Materialien als Katalysatoren.
  1. Methandampfreformierung: Die Dampfreformierung von Erdgas ist derzeit die billigste, technisch ausgereifteste und kommerziell etablierte Methode zur Erzeugung von Wasserstoff, die hauptsächlich in der petrochemischen und chemischen Industrie eingesetzt wird. Der größte Teil des weltweit produzierten Wasserstoffs wird mit dieser am weitesten verbreiteten Technik hergestellt. Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) werden durch die Kombination von Methan (CH4) mit Wasserdampf (H2O) bei hohem Druck und hohen Temperaturen (700-1000°C) unter Anwesenheit eines Katalysators erzeugt. Vorbereitung des Ausgangsmaterials: Methan (CH4), der Hauptbestandteil des Erdgases, wird in der Regel vor Beginn des Prozesses als Ausgangsmaterial aufbereitet. Schwefelverbindungen und andere Verunreinigungen, die die im Reformierungsprozess eingesetzten Katalysatoren deaktivieren könnten, werden durch eine Reinigung aus dem Erdgas entfernt.Dampfreformierung: In einem Reformerbehälter wird das gereinigte Erdgas bei hohen Temperaturen (in der Regel zwischen 700°C und 1000°C) und mäßigem Druck mit Wasserdampf (H2O) zusammengeführt. Dabei handelt es sich um ein Gasphasenumwandlungsverfahren, das extrem endotherm ist (Wärme wird absorbiert). Er erfordert hohe Reaktionstemperaturen, in der Regel über 600 K (823 °C), in Gegenwart von Katalysatoren auf Fe- oder Ni-Basis, die im Allgemeinen auf AL2O3 und MgAl2O4 geträgert sind, sowie Drücke von etwa 3 MPa.
     Die folgende chemische Gleichung beschreibt die Reaktion von Wasserdampf und Methan in Anwesenheit des Katalysators:
     _CH4 + _H2O---> CO + _3H2
     Bei dieser Reaktion entstehen Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), das ein wichtiges Zwischenprodukt des Reformierungsprozesses ist.
     Wassergasverschiebungsreaktion: Bei der WGSR wird die Wasserstoffkonzentration im Reformat erhöht; in der Regel wird Methan in großen Mengen gebildet. Die Hochtemperaturverschiebung (HTS) findet bei ca. 305 °C statt, die Niedertemperaturverschiebung (LTS) bei ca. 200 °C. Dabei wird aus dem während des Dampfreformierungsprozesses entstandenen Kohlenmonoxid mehr Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) erzeugt. Durch die Zugabe von mehr Dampf in den Reformerbehälter und den Einsatz eines Shift-Katalysators wird diese Reaktion erreicht:
     CO + _H2O---> _CO2 + _H2
     Die Wasser-Gas-Shift-Reaktion senkt die Konzentration von Kohlenmonoxid, das im fertigen Wasserstoffprodukt unerwünscht ist, und trägt zur Steigerung der Wasserstoffausbeute bei.
     Gastrennung und -reinigung: Im Produktgas des Reformers sind Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Restmethan und Spuren von Verunreinigungen enthalten. Das entstehende Gas durchläuft Reinigungsprozesse, um Verunreinigungen wie Kohlendioxid zu beseitigen und reinen Wasserstoff (99,99 %) zu erhalten. Hierfür können verschiedene Reinigungstechniken eingesetzt werden, darunter die Membrantrennung und die Druckwechseladsorption (PSA).
     Wärmerückgewinnung und Energieintegration: Während des Reformierungsprozesses wird eine große Menge an Wärme erzeugt, die zurückgewonnen und zur Erwärmung des zugeführten Rohstoffs oder zur Erzeugung von Dampf für andere industrielle Prozesse genutzt werden kann. Der Prozess der Wasserstofferzeugung wird durch den Einsatz von Energieintegrationstechniken insgesamt effizienter.

Wie kann Wasserstoff mit verschiedenen Techniken gespeichert werden?

Wasserstoff wird zunehmend als die bevorzugte Energiequelle des einundzwanzigsten Jahrhunderts erkannt. Für die Entwicklung von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien in Bereichen wie Verkehr, tragbare Elektrizität und stationäre Energieversorgung ist die Wasserstoffspeicherung eine entscheidende Grundlagentechnologie. Wasserstoff ist der Brennstoff mit der höchsten Energiedichte pro Masse aller Brennstoffe, hat aber aufgrund seiner geringen Dichte bei Umgebungstemperatur eine niedrige Energiedichte pro Volumeneinheit. Daher müssen fortschrittliche Speichertechniken mit hoher Energiedichte entwickelt werden. Der Bedarf an Wasserstoffspeicherung, sei es für stationäre Großspeicher wie Fahrzeugtankstellen oder nebeneinander liegende Wasserstoffproduktionsanlagen für den Einsatz in der Industrie oder für den Verbrauch als saubere Energiequelle, ergänzt die Nachfrage nach Wasserstoff. Die unten aufgeführten Wasserstoffspeichertechniken sind erwähnenswert:

• Flüssigwasserstoff (LH2): Die bevorzugte Methode zur Speicherung von Wasserstoff in großen Mengen ist heutzutage die Flüssigwasserstoffspeicherung, die auch eine ausgezeichnete Sicherheitsbilanz aufweist. Da Wasserstoff bei 1 Atmosphärendruck einen Siedepunkt von -253° C hat, ist für die Speicherung von Flüssigwasserstoff eine kryogene Temperatur erforderlich. Flüssiger Wasserstoff wird in kryogenen Tanks gelagert, die eine fortschrittliche Isolierung erfordern, um die niedrigen Temperaturen zu halten. Große Mengen Wasserstoff (10-30 Tonnen pro Tag) werden normalerweise am Produktionsstandort verflüssigt, bevor sie in 11.000-Gallonen-LH2-Tankwagen ohne Verdampfungsverluste über Land zur Verwendung in industriellen Wasserstoffproduktionsanlagen transportiert werden. Bedauerlicherweise erfordert die Verflüssigung eine beträchtliche Menge an Energie - in der Regel 30 % des Heizwerts des Wasserstoffs - was die Kosten für Wasserstoff im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff in die Höhe treibt. In absehbarer Zukunft wird LH2 wahrscheinlich weiterhin die wichtigste Methode zur stationären Speicherung von Wasserstoff in großen Mengen sein. LH2-Systeme für Fahrzeuge haben den höchsten Massenanteil an Wasserstoff (H2) und eines der geringsten Systemvolumina, bei einem Entwicklungsrisiko von nahezu Null, guter Schnellbefüllbarkeit und akzeptablen Sicherheitseigenschaften.
• Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (GH2): Die Speicherung von Wasserstoff als Gas erfordert in der Regel Hochdrucktanks (350-700 bar [5000-10.000 psi] Tankdruck). Druckwasserstoffsysteme für Fahrzeuge bestehen aus 34,5 MPa (5000 psi) gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern aus Kohlefaser, die mit Kunststoff oder Metall ausgekleidet sind. Diese Systeme bieten einen hohen H2-Anteil, schnelle Betankungsmöglichkeiten, minimale Auswirkungen auf die Infrastruktur, hohe Sicherheit aufgrund der inhärenten Festigkeit des Druckbehälters und ein geringes bis gar kein Entwicklungsrisiko. Sowohl größere LH2-Produktionsanlagen, wie z. B. Partialoxidationsbrenner vor Ort, Elektrolysestationen und Erdgasreformierungsanlagen, können die Speicherung von komprimiertem Gas ermöglichen. Somit gibt es einen plausiblen H2-Infrastrukturübergangspfad. Diese Faktoren machen die Druckgasspeicherung bei Raumtemperatur zur bevorzugten Methode der Brennstoffspeicherung für PEM-Brennstoffzellenfahrzeuge. GH2 hat ein viel größeres Volumen als LH2, bietet aber dennoch die gleichen Vorteile für die stationäre Wasserstoffspeicherung, wie z. B. Stabilität und keine Verdampfungsverluste. Selbst wenn man die Kompressionskosten berücksichtigt, ist gasförmiger Hochdruckwasserstoff kostengünstiger als LH2.
• Metallhydride: Bei der Hydridspeicherung wird Wasserstoff chemisch an ein festes Material, wie Metallhydride oder komplexe Metalllegierungen, gebunden. Wenn der Wasserstoff in das Material absorbiert wird, bildet er eine stabile Verbindung. Der gespeicherte Wasserstoff kann durch Wärmezufuhr oder Druckminderung freigesetzt werden. Hydridspeicher bieten eine hohe Speicherdichte und können im Vergleich zu Druckgasspeichern bei niedrigeren Drücken betrieben werden. Allerdings kann die Kinetik der Wasserstoffaufnahme und -abgabe langsamer sein, was ihre Anwendung in einigen Situationen einschränkt.
  • Es lassen sich zwei Arten von Metallhydriden unterscheiden: Hydride mit niedrigen Dissoziationstemperaturen und solche mit hohen Dissoziationstemperaturen. Die Niedertemperaturhydride haben einen geringen H2-Anteil (-2 %). Die Hochtemperaturhydride benötigen eine Wärmequelle, um die hohe Dissoziationstemperatur (-300 °C) zu erzeugen. Die beiden Systeme bieten angemessene Sicherheitsmerkmale und eine relativ dichte H2-Speicherung. Die Betriebsanforderungen von Metallhydriden für die Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugen eignen sich nicht gut für PEM-Fahrzeugsysteme, oder sie sind einfach zu schwer. Metallhydride werden sich erst dann als Speichermedium für PEM-Brennstoffzellenfahrzeuge eignen, wenn es gelingt, einen hohen Gewichtsanteil, niedrige Temperaturen, eine niedrige Dissoziationsenergie und kurze Ladezeiten zu erreichen. Das Gewicht des Schwermetallhydridsystems ist kein Nachteil für die feste Speicherung.
• Adsorption von Kohlenstoff: Durch die Adsorption von gasförmigem Wasserstoff an Kohlenstoffoberflächen lassen sich Speicherdichten erreichen, die die von flüssigem Wasserstoff übertreffen. Hoher Druck und niedrige Temperaturen, insbesondere kryogene Temperaturen, erhöhen die Adsorptionskapazität erheblich. Tatsächlich wird ein erheblicher Teil des in Kohlenstoffadsorbersystemen enthaltenen Wasserstoffs in gasförmiger Form in den Zwischenräumen des Kohlenstoffadsorbers gehalten. Kohlenstoff-Nanofasern sind eine einzigartige Klasse von Kohlenstoff-Adsorptionsmitteln, die das Potenzial haben, die Speicherkapazität erheblich zu verbessern, indem sie sich eine völlig andere Methode der Wasserstoffspeicherung zunutze machen. Dennoch ist die Systemcharakterisierung spekulativ, da sich die Erforschung und Bewertung von Nanofasern noch in einer frühen Phase befindet.

Welche Hindernisse und Beschränkungen gibt es beim Transport und der Speicherung von Wasserstoff?

Transport: Der Transport und die Speicherung von Wasserstoff könnten eine potenzielle Herausforderung bei der Ausweitung der Wasserstoffwirtschaft darstellen. Von allen Gasen hat Wasserstoff die geringste Dichte und kann in Verbindung mit der geringsten Menge Luft Feuer fangen. Aufgrund seiner geringen volumetrischen Energiedichte kann es teuer sein, Wasserstoff zu transportieren, zu speichern und schließlich an den Ort der Anwendung zu liefern. In der Regel wird Wasserstoff als Flüssigkeit in superisolierten Tieftemperaturtanks bereitgestellt und transportiert, wenn keine Rohrleitungen für längere Strecken zur Verfügung stehen. Außerdem kann es Sicherheitsbedenken geben. Die derzeitige minimale Infrastruktur ist möglicherweise nicht in der Lage, die breite Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle zu unterstützen. Die Pipelines sind das wichtigste Mittel für den weltweiten Transport von Wasserstoff. Um Leckagen und Versprödung zu vermeiden, müssen die Rohre jedoch nach strengeren Anforderungen gebaut werden. Als Alternative kann Wasserstoff in Form von flüssigem organischem Wasserstoff, Methanol und Ammoniak transportiert werden. Die Kosten für die Umwandlung dieser Brennstoffe in Energie sind jedoch höher. Der Transport von Wasserstoff in Lastwagen könnte für kleinere Mengen eine praktische Wahl sein.

Speicherung von Wasserstoff: Um verflüssigt zu werden, muss Wasserstoff auf kryogene Temperaturen (-253°/-423°F) abgekühlt werden. Nach der Verflüssigung kann der Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen in massiven, isolierten Tanks in der Verflüssigungsanlage gelagert werden. Flüssiger Wasserstoff kann angeliefert und gespeichert werden, aber um abgegeben zu werden, muss er schließlich zu einem Hochdruckgas verdampfen. Die Verflüssigung von Wasserstoff erfordert Energie; sie verbraucht derzeit über 30 % des Energiegehalts des Wasserstoffs und ist kostspielig. Außerdem "verdampft" ein gewisser Teil des gespeicherten flüssigen Wasserstoffs, insbesondere in kleinen Tanks mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Die Verflüssigung von Wasserstoff ist ein energieintensiver Prozess, und die Aufrechterhaltung einer ausreichend niedrigen Temperatur für den Transport und die Lagerung über lange Strecken führt zu zusätzlichen Energieverlusten und damit verbundenen Kosten. Dies verteuert die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger insgesamt. Das Gewicht und das Volumen der Wasserstoffspeicher sind derzeit zu hoch, was zu einer unzureichenden Reichweite der Fahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen, mit Erdöl betriebenen Fahrzeugen führt. Die Energiedichte von Wasserstoff ist fast dreimal so hoch wie die von Benzin, nämlich 120 MJ pro kg, verglichen mit 44 MJ pro kg bei Gas. Wenn es jedoch um das Volumen geht, sind die Dinge anders: Benzin hat eine Dichte von 32 MJ/L, flüssiger Wasserstoff von 8 MJ/L.

Ein Problem bei allen Wasserstoffspeicherverfahren ist die Energieeffizienz. Bei reversiblen Festkörpermaterialien ist der Energiebedarf für den Eintritt und Austritt von Wasserstoff ein Problem. Die Speicherung von chemischen Hydriden stellt ein Hindernis für die Energieeffizienz während des gesamten Lebenszyklus dar, da das Nebenprodukt außerhalb des Fahrzeugs regeneriert wird. Außerdem muss sowohl bei Technologien für komprimierten als auch für flüssigen Wasserstoff der Energieaufwand für die Kompression und Verflüssigung berücksichtigt werden. Die Haltbarkeit von Wasserstoffspeichersystemen ist unzureichend.

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Wie nutzt die Brennstoffzellentechnologie Wasserstoff zur Stromerzeugung, und welche Anwendungsmöglichkeiten gibt es in verschiedenen Branchen?

Die Brennstoffzellentechnologie wandelt die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess direkt in elektrische Energie um. Hier ist eine Erklärung, wie das funktioniert:
Wasserstoff als Brennstoff: Das Brennstoffzellensystem beginnt mit einer Versorgung mit Wasserstoffgas (H2). Wasserstoff wird gewählt, weil er reichlich vorhanden ist und aus verschiedenen Quellen hergestellt werden kann, darunter Wasser, Erdgas und erneuerbare Ressourcen wie Biomasse oder die Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Elektrizität.
Anode (Negative Elektrode): Das Wasserstoffgas wird der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. An der Anode werden die Wasserstoffmoleküle durch einen Prozess, der elektrochemische Oxidation oder Wasserstoffoxidationsreaktion genannt wird, in Protonen (H+) und Elektroden (e-) gespalten:

_H2 ----> ^2H+ + ^2e-

Elektrolyt: Die an der Anode erzeugten Protonen durchströmen eine Elektrolytmembran. Der Elektrolyt ist ein spezielles Material, das nur positiv geladene Ionen (z. B. Protonen) durchlässt und Elektronen abhält. Diese Membran verhindert die Vermischung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen und erleichtert die Bewegung der Ionen.
Kathode (positive Elektrode): Gleichzeitig wird der Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff (normalerweise aus der Luft) zugeführt. An der Kathode reagieren Sauerstoffmoleküle mit Elektronen, die einen externen Stromkreislauf durchlaufen haben, und Protonen, die die Elektrolytmembran durchquert haben, wodurch Wasser entsteht:

_O2 + ^4H+ + ^4e- -----> _2H2O

Elektrischer Stromkreis: Wenn die Elektronen von der Anode zur Kathode durch einen externen Stromkreis fließen, erzeugen sie einen elektrischen Strom, der zum Betrieb elektrischer Geräte oder zum Aufladen von Batterien verwendet werden kann.

Wasser und Wärme: Die einzigen Nebenprodukte dieser elektrochemischen Reaktion sind Wasserdampf und Wärme. Der Wasserdampf wird in der Regel als harmloses Abgas freigesetzt, und die erzeugte Wärme kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, z. B. zum Heizen von Gebäuden oder als Teil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK). Insgesamt bieten Brennstoffzellen eine saubere und effiziente Möglichkeit zur Stromerzeugung, wobei bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff nur Wasser als Emission entsteht. Das macht Brennstoffzellen vielversprechend für eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Transport, stationäre Stromerzeugung und tragbare Elektronik.

Anwendungen in verschiedenen Branchen:

Die Brennstoffzellentechnologie hat aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit ein breites Spektrum an potenziellen Anwendungen in verschiedenen Branchen. Einige der bemerkenswerten Branchen, in denen Brennstoffzellen eingesetzt werden können, sind:

1. Transportwesen: Brennstoffzellen können Elektrofahrzeuge (FCEVs) antreiben, die eine Alternative zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor darstellen. FCEVs bieten eine große Reichweite, kurze Betankungszeiten und keine Auspuffemissionen, wodurch sie sich für verschiedene Transportanwendungen eignen, darunter Autos, Busse, Lastwagen und sogar Züge und Seeschiffe.
2. Stationäre Stromerzeugung: Brennstoffzellen können zur Verteilung von Stromerzeugungssystemen für Haushalte, Unternehmen und Institutionen eingesetzt werden. Sie können eine zuverlässige und effiziente Stromerzeugung bieten, insbesondere in Gebieten mit unzuverlässiger Netzinfrastruktur oder wo ein Netzanschluss nicht möglich ist. Brennstoffzellen können auch mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie kombiniert werden, um hybride Energiesysteme zu schaffen.
3. Reservestrom und Netzanwendungen: Brennstoffzellen eignen sich gut für die Bereitstellung von Notstrom in kritischen Infrastrukturen wie Krankenhäusern, Datenzentren, Telekommunikationseinrichtungen und Notfallzentren. Sie können auch in netzfernen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in abgelegenen Telekommunikationstürmen, Fernüberwachungsstationen und militärischen Einrichtungen.
4. Materialtransportausrüstung: Brennstoffzellen können elektrische Gabelstapler, Palettenheber und andere Materialtransportgeräte in Lagerhäusern, Vertriebszentren und Produktionsstätten betreiben. Im Vergleich zu herkömmlichen batteriebetriebenen Geräten bieten brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge längere Laufzeiten, kürzere Betankungszeiten und eine gleichmäßige Leistung während der gesamten Arbeitsschicht.
5. Raumfahrt und Luftfahrt: Brennstoffzellen haben das Potenzial, in Flugzeugen als Hilfsturbinen (APUs) eingesetzt zu werden, um Strom und andere Borddienste zu liefern, wodurch die Abhängigkeit von herkömmlichen, auf fossilen Brennstoffen basierenden APUs verringert und die Effizienz verbessert wird.
6. Maritime Anwendungen: Brennstoffzellen können zum Betrieb von Hilfssystemen auf Schiffen und Booten eingesetzt werden, wodurch die Emissionen verringert und die Effizienz verbessert werden. Wasserstoff-Brennstoffzellen können auch in brennstoffzellenbetriebenen Schiffen für die Binnenschifffahrt und den Kurzstreckenseeverkehr eingesetzt werden.
7. Militär und Verteidigung: Brennstoffzellen bieten Vorteile für militärische Anwendungen, z. B. einen geräuschlosen Betrieb, eine geringere Wärmesignatur und eine größere Energieunabhängigkeit. Sie können eine Vielzahl von Militärausrüstungen antreiben, darunter unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), Bodenfahrzeuge und tragbare Stromversorgungssysteme für Soldaten im Feld.

Insgesamt hat die Brennstoffzellentechnologie das Potenzial, zahlreiche Branchen zu revolutionieren, da sie saubere, effiziente und vielseitige Lösungen für die Energieerzeugung bietet. Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zielen darauf ab, die Leistung zu verbessern, die Kosten zu senken und das Anwendungsspektrum von Brennstoffzellen zu erweitern.

Erläutern Sie das Konzept der "Wasserstoffwirtschaft" und seine möglichen Auswirkungen auf die Zukunft der Energiesysteme?

Das Konzept der "Wasserstoffwirtschaft" dreht sich in der Tat um die Nutzung von Wasserstoff als vielseitigem Energieträger, um den Übergang zu einem kohlenstoffarmen oder kohlenstoffneutralen Energiesystem zu erleichtern. Dies bedeutet, dass Wasserstoff in verschiedenen Sektoren eingesetzt wird, in denen herkömmliche Methoden zur Dekarbonisierung möglicherweise nicht so durchführbar oder effektiv sind. Wasserstoff kann mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, z. B. durch Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie oder durch Reformierungsverfahren wie die Methan-Dampfreformierung (SMR) in Verbindung mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), um die Emissionen zu verringern. Einmal hergestellt, kann Wasserstoff in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. im Verkehr (Brennstoffzellenfahrzeuge), in industriellen Prozessen (z. B. in der Stahl- und Zementherstellung), zum Heizen und zur Energiespeicherung. Die Wasserstoffwirtschaft sieht ein Energieversorgungssystem auf der Grundlage von Wasserstoff vor, einem kohlenstofffreien Energieträger. Brennstoffzellen würden aus Wasserstoff Strom erzeugen, wobei Wärme und Wasserdampf als Nebenprodukte entstehen.
Die Vorteile von Wasserstoff in diesem Zusammenhang liegen in seiner Fähigkeit, als sauberer und vielseitiger Energieträger zu dienen, der effizient gespeichert und transportiert und in verschiedenen Wirtschaftssektoren eingesetzt werden kann. Durch die Integration von Wasserstoff in verschiedene Industriezweige und Tätigkeiten sollen die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert, die Treibhausgasemissionen gesenkt und letztlich die Auswirkungen des Klimawandels abgefedert werden.

Wasserstoff ist ein synthetischer Energieträger, der Energie transportiert, die durch einen anderen Prozess erzeugt wurde, in der Regel durch Elektrolyse von Wasser mit hochwertiger elektrischer Energie. Für diesen Vorgang wird jedoch zusätzliche Energie benötigt, um das Material zu komprimieren, zu verflüssigen, zu transportieren, zu speichern und zu übertragen. Flüssige synthetische Kohlenwasserstoffe, die aus nuklearen oder erneuerbaren Quellen erzeugten Wasserstoff mit Kohlenstoff aus Biomasse oder gesammeltem CO2 mischen, haben das Potenzial, künftige Energieträger zu werden, auch wenn Wasserstoff für stationäre Anwendungen eine Konkurrenz zur Netzstromversorgung darstellt. Die Nachhaltigkeit einer Wasserstoffwirtschaft hängt davon ab, wie energieeffizient sie im Vergleich zu anderen Optionen ist, selbst bei Maßnahmen zur Kostensenkung. Außerdem würde die Umstellung auf Wasserstoff im Gegensatz zu den derzeitigen Verteilungsnetzen für flüssige Kohlenwasserstoffe erhebliche Investitionen in die Infrastruktur erfordern. Eine Analyse der Produktions-, Verpackungs-, Transport-, Speicher- und Übergabeverfahren in Bezug auf den Energiegehalt des gelieferten Wasserstoffs ist notwendig, um den Energiebedarf einer Wasserstoffwirtschaft zu bewerten. In dieser Analyse werden repräsentative technische Lösungen untersucht, um die Lebensfähigkeit der Wasserstoffwirtschaft in Bezug auf das gesamte Energieversorgungs- und -verteilungssystem zu bewerten. Sie stützt sich auf Daten aus der Industrie und der Physik.

Welche Fortschritte gibt es bei den Technologien zur Wasserstofferzeugung, um die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken?

Die Fortschritte bei den Wasserstoffproduktionstechnologien beschleunigen die Entwicklung hin zu einer wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Wasserstoffproduktion, die für die breite Nutzung von Wasserstoff als sauberem Energieträger erforderlich ist.

• SMR-Verfahren: SMR oder Steam Methane Reforming (Dampf-Methan-Reformierung) ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, insbesondere in industriellen Anwendungen. Die Steigerung der Produktivität, die Verringerung der Treibhausgasemissionen und die Senkung der Produktion sind die Hauptziele der Entwicklung des SMR-Verfahrens (Steam Methane Reforming).
• Katalysator: Der im SMR-Verfahren verwendete Katalysator ist ein Katalysator auf Nickelbasis, Nickel-Aluminiumoxid (Ni/Al2O3), der eine hohe katalytische Aktivität, eine hohe thermische und mechanische Stabilität und die Eignung für eine Vielzahl von Ausgangsstoffen aufweist. Diese Katalysatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Reformierung. Die Probleme mit SMR bestehen weiterhin, weil Kohlenstoffablagerungen auf der Katalysatoroberfläche dazu führen, dass der Katalysator mit der Zeit deaktiviert wird. Die Aktivität des Katalysators wird durch die Bildung von Kohlenstoffspezies verringert, was eine regelmäßige Regeneration oder einen Austausch erforderlich macht. Um die Stabilität und Langlebigkeit der SMR-Katalysatoren zu erhöhen, erforschen die Forscher kontinuierlich modernste Katalysatorzusammensetzungen und einzigartige Katalysatorträger.
• Kohlenstoffabscheidung und -nutzung: Die während des Prozesses entstehenden CO2-Emissionen können aufgefangen und genutzt werden, wenn SMR mit Kohlenstoffabscheidungssystemen integriert wird. Durch die Verwendung des abgeschiedenen CO2 für verschiedene Zwecke, einschließlich chemischer Synthese oder Erzeugung synthetischer Brennstoffe, werden nicht nur die Auswirkungen auf die Umwelt verringert, sondern auch die Gesamteffizienz des SMR-Prozesses erhöht.
• Elektrolyse: Elektrolyse ist der Prozess der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie. Die Fortschritte bei der Elektrolyse zielen darauf ab, die Effizienz zu steigern und die Kosten zu senken. Hier einige Bereiche, in denen Fortschritte erforderlich sind:
• PEM-Elektrolyse: Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) ist eine vielversprechende Methode für die Wasserstofferzeugung, insbesondere aufgrund ihres Potenzials für hohe Effizienz, schnelle Reaktionszeit und Skalierbarkeit.
• Elektrokatalysator: In PEM-Wasserelektrolyseuren werden in der Regel Platin-Elektrokatalysatoren verwendet, da Wasserstoffentwicklungsreaktionen sowohl einen katalytischen als auch einen hohen Kernwiderstand aufweisen. Die Senkung der Kosten für Katalysatoren für Wasserstoffentwicklungsreaktionen (Platin) ist ein Ziel für die Forscher. Palladium ist billiger als Platin und hat eine ähnliche elektrolytische Aktivität. Die Aufschlüsselung der Kosten für PEM-Systeme. Die Prozentsätze können je nach Herstellungsverfahren variieren, aber die Kosten werden hauptsächlich von den Stack-Komponenten bestimmt.
• Membran: Bei der PEM-Elektrolyse dient eine Perflurosulfonsäuremembran (PFSA) als Festelektrolyt-Elektrodeneinheit. Sie wird auch Nafion genannt. PEM-Elektrolyse-Membranen sind bekannt für ihr geringes Crossover, ihre Hochtemperaturfähigkeit (>100°c) und ihre hohe mechanische Beständigkeit. Crossover bei PEMWE kann zur Zerstörung der Membran und zum Ausfall des Stacks führen. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist stark exotherm, was zu einer lokalen Erwärmung führt, die schließlich die Membran zerstören kann. Dieses Problem ist besonders relevant, wenn der Elektrolyseur bei hohem Druck (bis zu 350 bar) arbeitet. Der Nachteil dieser Membran sind ihre Kosten. Viele Forscher arbeiten an der Membran, um ihre Kosten zu senken. Die Verbesserung der Ausdauer von PEMs ist entscheidend dafür, dass Elektrolysesysteme über längere Zeit gut funktionieren. Es sollten Membranen mit erhöhter chemischer Stabilität, mechanischer Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen die Zersetzung durch harte Betriebsbedingungen, wie hohe Temperaturen und hohe Drücke, entwickelt werden.
• Stack-Komponenten: Die Leistung und Lebensdauer des PEM-Elektrolysestacks hängt von seinen Komponenten ab. Die Bipolarplatten, Stromkollektoren und die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) sind Schlüsselkomponenten. Bei der PEM-Elektrolyse beispielsweise kann der Anteil des Stacks an den Gesamtkosten des Systems bis zu 52 % betragen. Ziel der PEM-Elektrolyse-Forscher ist es, die Kosten für Wasserstoffbewertungskatalysatoren (HER) zu senken. Kosteneinsparungen sind am ehesten bei der Stack- und Systemtechnik zu erwarten, nicht bei der alkalischen Elektrolysetechnik. Die PEM-Elektrolyse stellt ein besonderes Szenario dar, da die Kosten für Material und Stack-Komponenten (z. B. Bipolarplatten und Stromabnehmer) voraussichtlich sinken werden.
• Biomasse-Vergasung: Die Fortschritte bei der Biomassevergasung zur Wasserstofferzeugung konzentrieren sich auf die Verbesserung der Effizienz und die Senkung der Kosten. Dazu gehören Verbesserungen des Temperaturmanagements, der Gasreinigungstechniken und der Reaktorkonstruktion, um den Wirkungsgrad zu maximieren und die Wasserstoffreinheit zu verbessern.
• Katalysator: Bei der Biomassevergasung sind Katalysatoren von entscheidender Bedeutung, da sie die Umwandlung von Biomasse-Rohstoffen in wasserstoffreiches Synthesegas erleichtern. Es wird weiterhin an der Entwicklung neuer Katalysatormaterialien und -formulierungen geforscht, die die Vergasungskinetik verbessern, mehr Wasserstoff liefern und den Katalysator haltbarer machen sollen. Diese Verbesserungen werden letztendlich zu einer höheren Produktivität und niedrigeren Produktions- und Verbrauchskosten führen.
• Entfernung von Teer: Die Teerverbindungen, die bei der Vergasung von Biomasse entstehen, können die nachgeschalteten Maschinen schädigen und die Produktivität der Verfahren zur Wasserstofferzeugung verringern. Technologische Entwicklungen im Bereich der Teerentfernung, wie das katalytische Teerkracken und die Teerreformierung, werden untersucht, um die Teerbildung zu verringern und die Qualität des erzeugten Synthesegases zu verbessern, wodurch die Betriebskosten gesenkt und die Prozesseffizienz gesteigert werden. Der Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen im Zusammenhang mit der Wasserstofferzeugung können durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen verringert werden.
• Photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung: Bei der PEC-Wasserspaltung werden Halbleiter zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff als Kraftstoff eingesetzt. Fortschritte in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie ermöglichen die Entwicklung effizienterer und stabilerer Photoelektroden für PEC-Zellen, um die Gesamteffizienz zu verbessern und die Kosten zu senken.

Welche Rolle kann Wasserstoff beim Übergang zu erneuerbaren Energiequellen spielen, und wie trägt er zu den Bemühungen um eine Dekarbonisierung bei?

Die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff sind ein wichtiger Faktor für die Energiewende, mit Vorteilen sowohl für das Energiesystem als auch für die Endverbrauchsanwendungen. Wasserstoff spielt bei der Dekarbonisierung in den verschiedenen Sektoren eine unterschiedliche Rolle.

• Ermöglicht die effektive und umfassende Integration erneuerbarer Energien: Das Missverhältnis zwischen schwankendem Stromangebot und -nachfrage in der Energiewirtschaft stellt eine Herausforderung dar, insbesondere wenn intermittierende erneuerbare Energiequellen in größerem Umfang in den Strommix integriert werden. Diese Integration, die mehr als 40 % des Strommixes ausmacht, erfordert aufgrund der begrenzten Speichermöglichkeiten für Strom eine erhöhte betriebliche Flexibilität und Speicheroptionen. Wasserstoff erweist sich als eine Lösung, die erhebliche Vorteile für die Verbesserung der Flexibilität und Effizienz des Energiesystems bietet:
• Elektrolyse für überschüssige Elektrizität: Wasserstoff kann in Zeiten überschüssigen Stroms durch Elektrolyse hergestellt werden und dient so als Reservestromquelle bei Stromausfällen oder für verschiedene Sektoren wie Verkehr, Industrie oder Haushalte. Er trägt dazu bei, überschüssigen Strom zu verwerten und kann zentral oder dezentral eingesetzt werden. Da Wasserstoff schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, ist er ein wirksames Mittel, um einen abrupten Rückgang der erneuerbaren Energieversorgung bei extremen Wetterbedingungen abzufedern.
• Langfristiges kohlenstofffreies Speichermedium: Wasserstoff ist aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeiten die vielversprechendste Option für die langfristige, kohlenstofffreie saisonale Energiespeicherung. Andere Technologien wie Batterien und Druckluft können zwar zum Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage beitragen, haben aber nicht die für saisonale Schwankungen erforderliche Kapazität oder Dauer. Obwohl die Wasserkraft weltweit dominiert, bietet Wasserstoff ein Potenzial als Ersatz für eine groß angelegte, langfristige Speicherung. Die Wasserstoffspeicherung, insbesondere unterirdisch, ist gut etabliert und wird aufgrund des technologischen Fortschritts und der zunehmenden Abhängigkeit von erneuerbaren Energiequellen weiter ausgebaut.
• Verteilung über Branchen und geografische Gebiete: Die Verteilung erneuerbarer Energien wird für das Stromnetz aus einer Reihe von Gründen notwendig sein. Einige Länder, wie z. B. Japan, sind schlecht geeignet, um Strom ausschließlich mit Sonnen- oder Windenergie zu erzeugen. Andere Länder brauchen möglicherweise mehr Zeit, um das erforderliche Kapital aufzubringen. In bestimmten Situationen kann es kosteneffizienter sein, erneuerbare Energien zu importieren, z. B. durch die Verlagerung von preiswertem Solarstrom aus den Ländern des Sonnengürtels in weniger sonnige Gebiete. Wasserstoff und seine Verbindungen haben eine hohe Energiedichte und sind leicht zu transportieren, was sie für eine effiziente und flexible Umverteilung von Energie geeignet macht. Der Transport von Wasserstoff über Pipelines ist hocheffizient und erreicht einen Wirkungsgrad von fast 100 %, was ihn zu einer wirtschaftlich attraktiven Option für den Transport erneuerbarer Energie über große Entfernungen macht. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für den Import von Wasserstoff aus Regionen mit reichhaltigen erneuerbaren Energiequellen, wie dem Nahen Osten, in Gebiete mit hohem Energiebedarf, wie Europa. Gegenwärtig wird Wasserstoff über Pipelines und Schlauchanhänger transportiert, wobei die Kosten in den nächsten 15 Jahren bei steigender Nachfrage voraussichtlich um 30 bis 40 % sinken werden. Insgesamt birgt ein effizienter Wasserstofftransport ein erhebliches Potenzial, um den Übergang zu erneuerbaren Energiequellen zu unterstützen und die Dekarbonisierungsziele zu erreichen.

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• Er dient als Barriere zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Systems: Die hohe Energiedichte, die lange Speicherkapazität und die Anpassungsfähigkeit von Wasserstoff machen ihn zu einer praktikablen Option für den Ausgleich der globalen Energiespeicherung mit der sich ändernden Energienachfrage. Derzeit machen fossile Brennstoffe etwa 24 % des gesamten jährlichen Endverbrauchs des Energiesystems aus, d. h. etwa 90 Exajoule, und werden hauptsächlich als Reservekapazität genutzt. Fossile Brennstoffe könnten in dem Maße an Bedeutung verlieren, wie die Kunden und die Energiewirtschaft auf alternative Energiequellen wie erneuerbare Energien umsteigen. Eine Kombination von Energieträgern wie Wasserstoff, Biomasse, synthetischen Brennstoffen, Biokraftstoffen und fossilen Brennstoffen, die mit den Endanwendungen kompatibel sind, ist eine effektivere Strategie für die Energiepufferung. Diese Kombination verringert nicht nur die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, sondern fördert auch die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Energieverbrauchsmuster.
• Dekarbonisierung des Verkehrs: Die Transportindustrie wird derzeit von Kraftstoffen auf Ölbasis dominiert, die 96 % des gesamten Kraftstoffverbrauchs und 21 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen ausmachen. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) sind für die Dekarbonisierung dieses Sektors von entscheidender Bedeutung. Obwohl effiziente Hybridfahrzeuge wie Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und Hybridelektrofahrzeuge (HEV) die Emissionen senken, ist der Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen wie batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) und FCEV oder Hybridkombinationen davon notwendig, um eine vollständige Dekarbonisierung zu erreichen. Schnelllade-Elektroautos (FCEVs) haben mehrere Vorteile, darunter eine Reichweite von 500 km, die es ihnen ermöglicht, lange Strecken zwischen Tankstopps zurückzulegen, und kurze Aufladezeiten von 3 bis 5 Minuten. Außerdem sind sie aufgrund ihrer geringen Empfindlichkeit gegenüber gespeicherter Energie ideal für den Einsatz in Fahrzeugen mit hohem Energiebedarf. Es wird erwartet, dass FCEVs in einer Vielzahl von Verkehrsanwendungen eingesetzt werden, darunter in Bussen, nicht-elektrischen Zügen, Schwerlastfahrzeugen und bei der Dekarbonisierung von Personenkraftwagen. Anwendungen für synthetische Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis in der Luft- und Schifffahrt werden derzeit untersucht.
• Dekarbonisierung des industriellen Energieverbrauchs: Gegenwärtig tragen Erdgas, Kohle und Öl mit etwa 20 % der weltweiten Emissionen am meisten zu den industriellen Emissionen bei. Um die Emissionen zu reduzieren, muss sich die Industrie auf die Verbesserung der Energieeffizienz konzentrieren, einschließlich der Rückgewinnung von Abwärme, um den Energieverbrauch zu senken. Dampfelektrolyse-Technologien können dazu beitragen, Abwärme in Wasserstoff umzuwandeln, und bieten damit eine mögliche Lösung. Die Dekarbonisierung der Quellen von Prozesswärme, sowohl von geringer als auch von hoher Qualität, ist von entscheidender Bedeutung. Für geringwertige Wärme stehen Wärmepumpen, elektrische Widerstandsheizungen und Wasserstoff zur Verfügung. Wasserstoff ist besonders vorteilhaft, wenn er als Nebenprodukt in der chemischen Industrie anfällt oder wenn eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erforderlich ist, wie z. B. bei Brennstoffzellen, die eine emissionsfreie Heizung ermöglichen. Die Dekarbonisierung hochwertiger Wärme (über 400°C) stellt eine Herausforderung dar. Je nach den örtlichen Gegebenheiten können Wasserstoffbrenner die elektrische Heizung ergänzen. In einigen Regionen kann es vorkommen, dass Wasserstofftechnologien aufgrund von Beschränkungen des Energiesystems der Elektrizität vorgezogen werden. Derzeit nutzt die Industrie Wasserstoff für geringwertige Wärmeanwendungen wie Prozesswärme und Trocknung. In Zukunft könnte eine Mischung aus Wasserstoffbrennern und Brennstoffzellen eingesetzt werden, um den Bedarf an niedrig- und hochqualitativer Wärme zu decken. Während Brennstoffzellen einen höheren Wirkungsgrad bieten und sowohl Wärme als auch Strom liefern, erfordert ihre Einführung erhebliche Investitionen. Brenner hingegen erfordern nur eine Anpassung der bestehenden Anlagen.