Wasserstoffwirtschaft

Die Wasserstoffwirtschaft ist ein vorgeschlagenes System zur Lieferung von Energie unter Verwendung von Wasserstoff. Der Begriff Wasserstoffwirtschaft wurde von John Bockris während eines Vortrags geprägt, den er 1970 im General Motors (GM) Technical Center hielt. Das Konzept wurde früher vom Genetiker JBS Haldane vorgeschlagen.

Befürworter einer Wasserstoffwirtschaft plädieren für Wasserstoff als potenziellen Kraftstoff für die Antriebskraft (einschließlich Autos und Boote) und die Bordstromversorgung, die stationäre Energieerzeugung (z. B. für den Energiebedarf von Gebäuden) und als Energiespeicher (z. zur Umwandlung von überschüssiger elektrischer Energie, die außerhalb der Spitze erzeugt wird. Molekularer Wasserstoff von der Art, die als Brennstoff verwendet werden kann, kommt natürlicherweise nicht in geeigneten Reservoirs vor; dennoch kann es durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, Wasserelektrolyse oder durch andere Verfahren erzeugt werden.

Ein Anstieg der Aufmerksamkeit für das Konzept in den 2000er Jahren wurde von einigen Kritikern und Befürwortern alternativer Technologien wiederholt als Hype beschrieben. Vor allem durch die Gründung des Hydrogen Council im Jahr 2017 ist ein Wiederaufleben des Energieträgers zu beobachten. Mehrere Hersteller haben nun Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos kommerziell auf den Markt gebracht. Hersteller wie Toyota und Industriegruppen planen in China, die Anzahl der Autos zu erhöhen die Hunderttausende im nächsten Jahrzehnt.

Begründung
Eine Wasserstoffwirtschaft wurde von der University of Michigan vorgeschlagen, um einige der negativen Auswirkungen der Verwendung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu lösen, bei denen der Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird (als Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe usw.). Das moderne Interesse an der Wasserstoffwirtschaft lässt sich allgemein auf einen technischen Bericht von Lawrence W. Jones von 1970 an der University of Michigan zurückführen.

In der gegenwärtigen Kohlenwasserstoffwirtschaft wird der Transport hauptsächlich mit Erdöl betrieben. Das Verbrennen von Kohlenwasserstoffbrennstoffen emittiert Kohlendioxid und andere Schadstoffe. Das Angebot an wirtschaftlich nutzbaren Kohlenwasserstoffressourcen in der Welt ist begrenzt, und die Nachfrage nach Kohlenwasserstoffbrennstoffen steigt insbesondere in China, Indien und anderen Entwicklungsländern.

Befürworter einer World-Scale Hydrogen Economy argumentieren, dass Wasserstoff eine umweltfreundlichere Energiequelle für den Endverbraucher sein kann, insbesondere in Transportanwendungen, ohne dass Schadstoffe (wie Feinstaub) oder Kohlendioxid zum Zeitpunkt der Endnutzung freigesetzt werden. Eine Analyse aus dem Jahr 2004 bestätigte, dass “die meisten Wege der Wasserstoff-Lieferkette deutlich weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen würden als Benzin in Hybrid-Elektrofahrzeugen” und dass eine signifikante Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen möglich wäre, wenn Methoden zur Kohlenstoffabscheidung oder Kohlenstoffsequestrierung verwendet würden am Standort der Energie- oder Wasserstoffproduktion genutzt.

Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte, weist jedoch eine niedrige Energiedichte auf. Selbst wenn sie stark komprimiert oder verflüssigt ist, ist die Energiedichte in Volumen nur 1/4 derjenigen von Benzin, obwohl die Energiedichte nach Gewicht etwa dreimal so groß ist wie die von Benzin oder Erdgas. Ein Otto-Kreislauf-Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff betrieben wird, soll einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 38%, 8% höher als ein Benzin-Verbrennungsmotor haben.

Die Kombination aus Brennstoffzelle und Elektromotor ist 2-3 mal effizienter als ein Verbrennungsmotor. Die Kapitalkosten für Brennstoffzellen haben sich in den letzten Jahren deutlich verringert, und das Energieministerium hat Kosten in Höhe von 50 USD / kW angesetzt.

Zu den bisherigen technischen Hindernissen zählen Wasserstoffspeicherprobleme und die Reinheitsanforderung an Wasserstoff, der in Brennstoffzellen verwendet wird. Wie bei der derzeitigen Technologie erfordert eine arbeitende Brennstoffzelle eine Reinheit des Wasserstoffs von bis zu 99,999%. Wasserstoffumwandlungstechnologie könnte als wirtschaftlicher als Brennstoffzellen betrachtet werden.

Aktueller Wasserstoffmarkt
Die Wasserstoffproduktion ist seit 2004 eine große und wachsende Industrie. Weltweit wurden im Jahr 2004 etwa 57 Millionen Tonnen Wasserstoff produziert, was etwa 170 Millionen Tonnen Öleinheiten entspricht. Die Wachstumsrate beträgt etwa 10% pro Jahr. In den Vereinigten Staaten betrug die Produktion im Jahr 2004 rund 11 Millionen Tonnen, ein durchschnittlicher Energiefluss von 48 Gigawatt. (Zum Vergleich: Die durchschnittliche Stromerzeugung im Jahr 2003 betrug rund 442 GW.) Seit 2005 beträgt der wirtschaftliche Wert des weltweit produzierten Wasserstoffs rund 135 Milliarden US-Dollar pro Jahr.

Heutzutage gibt es zwei Hauptnutzungen für Wasserstoff. Etwa die Hälfte wird im Haber-Prozess zur Herstellung von Ammoniak (NH3) verwendet, das dann direkt oder indirekt als Dünger verwendet wird. Weil sowohl die Weltbevölkerung als auch die intensive Landwirtschaft, die diese Landwirtschaft unterstützt, wachsen, wächst die Ammoniaknachfrage. Ammoniak kann als eine sicherere und einfachere indirekte Methode zum Transport von Wasserstoff verwendet werden. Der Transport von Ammoniak kann dann am Bowser durch eine Membrantechnologie wieder in Wasserstoff umgewandelt werden.

Die andere Hälfte der gegenwärtigen Wasserstoffproduktion wird verwendet, um schwere Erdölquellen in leichtere Fraktionen umzuwandeln, die zur Verwendung als Brennstoffe geeignet sind. Dieser letztere Vorgang ist als Hydrocracken bekannt. Das Hydrocracken stellt ein noch größeres Wachstumsgebiet dar, da steigende Ölpreise die Ölkonzerne dazu ermutigen, schlechteres Ausgangsmaterial wie Teersand und Ölschiefer zu fördern. Die Skaleneffekte bei der großangelegten Ölraffinerie- und Düngemittelherstellung ermöglichen die Produktion vor Ort und den “firmeneigenen” Einsatz. Kleinere Mengen von “Handels” -Hydrogen werden hergestellt und an die Endverbraucher geliefert.

Wenn Energie für die Wasserstoffproduktion zur Verfügung stünde (aus Wind-, Solar-, Kernspaltung oder -fusion usw.), könnte die Verwendung des Stoffes für die Produktion von Kohlenwasserstoffsynfuel den Eigenverbrauch von Wasserstoff um den Faktor 5 bis 10 erhöhen Hydrocracking beträgt etwa 4 Mt pro Jahr. Es wird geschätzt, dass 37,7 Mt / Jahr an Wasserstoff ausreichen würden, um genug heimische Kohle in flüssige Brennstoffe umzuwandeln, um die Abhängigkeit der USA von ausländischen Ölimporten zu beenden, und weniger als die Hälfte dieser Zahl, um die Abhängigkeit vom Öl aus dem Nahen Osten zu beenden. Die Kohleverflüssigung würde wesentlich schlechtere Emissionen von Kohlendioxid verursachen als das derzeitige System der Verbrennung von fossilem Erdöl, aber es würde die politischen und wirtschaftlichen Schwachstellen eliminieren, die der US-Ölimporte vor der Kommerzialisierung von Tight Oil in Nordamerika innewohnen.

Ab 2004 und 2016 stammen 96% der weltweiten Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen (48% aus Erdgas, 30% aus Erdöl und 18% aus Kohle); die Wasserelektrolyse macht nur 4% aus. Die Verteilung der Produktion spiegelt die Auswirkungen der thermodynamischen Einschränkungen auf die wirtschaftlichen Entscheidungen wider: Von den vier Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff bietet die partielle Verbrennung von Erdgas in einem NGCC-Kraftwerk (Erdgas-Kombikraftwerk) den effizientesten chemischen Weg und die größte Abnahme nutzbare Wärmeenergie. (benötigt Referenz)

Der große Markt und die stark ansteigenden Preise für fossile Brennstoffe haben ebenfalls ein großes Interesse an alternativen, billigeren Möglichkeiten der Wasserstoffproduktion geweckt. Ab 2002 wird der meiste Wasserstoff vor Ort produziert und die Kosten betragen ungefähr 0,70 $ / kg. Wenn sie nicht vor Ort produziert werden, betragen die Kosten für flüssigen Wasserstoff etwa 2,20 $ / kg bis 3,08 $ / kg.

Brennstoffzellen als Alternative zur internen Verbrennung
Eines der Hauptangebote einer Wasserstoffwirtschaft besteht darin, dass der Brennstoff den fossilen Brennstoff ersetzen kann, der in Verbrennungsmotoren und Turbinen verbrannt wird, als die primäre Möglichkeit, chemische Energie in kinetische oder elektrische Energie umzuwandeln; hierdurch Treibhausgasemissionen und Verschmutzung von diesem Motor zu beseitigen. Obwohl Wasserstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren verwendet werden kann, haben Brennstoffzellen, die elektrochemisch sind, einen theoretischen Wirkungsgradvorteil gegenüber Wärmekraftmaschinen. Brennstoffzellen sind in der Herstellung teurer als herkömmliche Verbrennungsmotoren.

Einige Arten von Brennstoffzellen arbeiten mit Kohlenwasserstoffbrennstoffen, während alle mit reinem Wasserstoff betrieben werden können. Für den Fall, dass Brennstoffzellen mit Verbrennungsmotoren und Turbinen preislich konkurrenzfähig werden, könnten große Gaskraftwerke diese Technologie übernehmen.

Wasserstoffgas muss als “technical-grade” (fünfneunrein, 99,999%), das für Anwendungen wie Brennstoffzellen geeignet ist, und “Commercial-Grade”, die kohlenstoff- und schwefelhaltige Verunreinigungen aufweist, unterschieden werden, die aber können durch den viel billigeren Dampfreformierungsprozess hergestellt werden. Brennstoffzellen benötigen hochreinen Wasserstoff, da die Verunreinigungen die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels schnell verschlechtern würden.

Ein Großteil des Interesses am Konzept der Wasserstoffwirtschaft konzentriert sich auf den Einsatz von Brennstoffzellen zur Stromversorgung von Elektroautos. Gegenwärtige Wasserstoffbrennstoffzellen leiden an einem niedrigen Leistungsgewicht. Brennstoffzellen sind wesentlich effizienter als Verbrennungsmotoren und produzieren keine schädlichen Emissionen. Wenn ein praktisches Verfahren zur Wasserstoffspeicherung eingeführt wird und Brennstoffzellen billiger werden, können sie ökonomisch lebensfähig sein, um Hybrid-Brennstoffzellen- / Batteriefahrzeuge oder rein brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge zu betreiben. Die Wirtschaftlichkeit von mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen wird sich verbessern, da die in Verbrennungsmotoren verwendeten Kohlenwasserstoffbrennstoffe aufgrund der Erschöpfung leicht zugänglicher Reserven oder der wirtschaftlichen Bilanzierung von Umweltauswirkungen durch Maßnahmen wie Kohlenstoffsteuern teurer werden.

Andere Brennstoffzellentechnologien, die auf dem Austausch von Metallionen beruhen (z. B. Zink-Luft-Brennstoffzellen), sind typischerweise effizienter bei der Energieumwandlung als Wasserstoffbrennstoffzellen, aber die weitverbreitete Verwendung von elektrischer Energie → chemischer Energie → elektrischer Energiesysteme würde die Produktion erforderlich machen von Elektrizität.

Seit der Rede zur Lage der Nation 2003, als der Begriff der Wasserstoffwirtschaft in den Vereinigten Staaten zu einer nationalen Größe wurde, gab es einen ständigen Chor von Neinsagern. Zuletzt veröffentlichte Lux Research, Inc. im Jahr 2013 einen Bericht, in dem es hieß: “Der Traum von einer Wasserstoffwirtschaft … ist nicht näher.” Sie kam zu dem Schluss, dass “die Investitionskosten, nicht die Wasserstoffversorgung, bis 2030 die Einführung auf nur 5,9 GW beschränken werden”, was “eine fast unüberwindbare Hürde für die Einführung darstellt, außer in Nischenanwendungen”. Luxs Analyse spekulierte, dass der stationäre Markt von PEM bis 2030 eine Milliarde Dollar erreichen wird, während der Fahrzeugmarkt einschließlich der Gabelstapler insgesamt 2 Milliarden Dollar erreichen wird.

Verwenden Sie als Kraftstoff- und Systemeffizienz für Fahrzeuge
Eine Bilanzierung der während eines thermodynamischen Prozesses verwendeten Energie, die als Energiebilanz bezeichnet wird, kann auf Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge angewendet werden. Mit der heutigen Technologie kann die Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung mit einem thermischen Wirkungsgrad von 75 bis 80 Prozent erreicht werden. Zusätzliche Energie wird benötigt, um den Wasserstoff zu verflüssigen oder zu komprimieren und ihn über einen LKW oder eine Pipeline zur Füllstation zu transportieren. Die Energie, die pro Kilogramm für die Produktion, den Transport und die Lieferung von Wasserstoff (dh für den Energiebedarf im Tank) verbraucht werden muss, beträgt ca. 50 MJ. Die Energie wurde von der Enthalpie von einem Kilogramm Wasserstoff abgezogen ist 141 MJ und dividiert durch die Enthalpie ergibt eine thermische Energieausbeute von ungefähr 60%. Benzin verbraucht im Vergleich dazu weniger Energie pro Gallone in der Raffinerie, und vergleichsweise wenig Energie wird benötigt, um es zu transportieren und zu speichern, aufgrund seiner hohen Energiedichte pro Gallone bei Umgebungstemperaturen. Tank-to-Tank ist die Lieferkette für Benzin etwa 80% effizient (Wang, 2002). Ein anderes gitterbasiertes Verfahren zur Wasserstoffversorgung wäre die Verwendung von Elektrizität zum Betrieb von Elektrolyseuren. Etwa 6% der Elektrizität gehen bei der Übertragung entlang von Stromleitungen verloren, und der Prozess der Umwandlung des fossilen Brennstoffs in Elektrizität ist in erster Linie ungefähr 33 Prozent effizient. Wenn also die Effizienz der entscheidende Faktor ist, wäre es unwahrscheinlich, dass Wasserstofffahrzeuge mit einer solchen Methode betrieben würden. In der Tat wären Elektrofahrzeuge eine bessere Wahl. Wie oben erwähnt, kann jedoch Wasserstoff aus einer Anzahl von Ausgangsmaterialien in zentralisierter oder verteilter Weise erzeugt werden, und diese bieten effizientere Wege zur Erzeugung und Verteilung des Brennstoffs.

Eine Studie über die Effizienz von Wasserstofffahrzeugen im Vergleich zu anderen Fahrzeugen im norwegischen Energiesystem zeigt, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV) mit Wasserstoff intern um etwa ein Drittel so effizient sind wie Elektrofahrzeuge Verbrennungsmotoren (Verbrennungsmotoren) sind kaum ein Sechstel so effizient. Selbst wenn Wasserstoffbrennstoffzellen ihren Wasserstoff aus der Erdgasreformierung statt aus der Elektrolyse beziehen und EVs ihre Energie aus einem Erdgaskraftwerk beziehen, kommen die Elektrofahrzeuge immer noch 35% bis 25% vor (und nur 13% für ein H2) EIS). Dies ist vergleichbar mit 14% für einen Benzin-ICE, 27% für einen Benzin-ICE-Hybrid und 17% für einen Diesel-ICE, ebenfalls auf einer gut zu fahrenden Basis.

Wasserstoff wurde als einer der am wenigsten effizienten und teuersten möglichen Ersatzstoffe für Benzin (Benzin) in Bezug auf die Reduzierung von Treibhausgasen bezeichnet; andere Technologien können weniger teuer und schneller implementiert werden. Eine umfassende Studie über Wasserstoff in Transportanwendungen hat ergeben, dass “es große Hürden auf dem Weg zur Verwirklichung der Vision der Wasserstoffwirtschaft gibt; der Weg wird nicht einfach oder einfach sein”. Obwohl die Ford Motor Company und der französische Renault-Nissan ihre F & E-Aktivitäten für Wasserstofffahrzeuge in den Jahren 2008 bzw. 2009 stornierten, unterzeichneten sie 2009 eine Absichtserklärung mit den anderen Herstellern und Now GMBH im September 2009, die die kommerzielle Einführung von FCVs bis 2015 unterstützt Der Carbon Trust für das britische Ministerium für Energie und Klimawandel weist darauf hin, dass Wasserstofftechnologien das Potenzial haben, den Verkehr in Großbritannien nahezu emissionsfrei zu produzieren und gleichzeitig die Abhängigkeit von importiertem Öl zu verringern und die Erzeugung erneuerbarer Energien einzudämmen. Die Technologien stehen jedoch in Bezug auf Kosten, Leistung und Politik vor sehr schwierigen Herausforderungen.

Umweltsorgen
Es gibt viele Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der Herstellung von Wasserstoff. Wasserstoff wird entweder durch Elektrolyse von Wasser oder durch Reformierung von fossilen Brennstoffen hergestellt. Die Reformierung eines fossilen Brennstoffs führt im Vergleich zur direkten Nutzung des fossilen Brennstoffs in einem Verbrennungsmotor zu höheren Kohlendioxidemissionen. In ähnlicher Weise wird, wenn Wasserstoff durch Elektrolyse aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Generatoren erzeugt wird, im Vergleich zur direkten Verwendung des fossilen Brennstoffs mehr Kohlendioxid emittiert.

Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse würde aufgrund der zusätzlichen Umwandlungsstufen und Verteilungsverluste einen höheren Energieeinsatz erfordern als die direkte Nutzung der erneuerbaren Energie zum Betrieb von Elektrofahrzeugen. Wasserstoff als Transportkraftstoff wird jedoch hauptsächlich für Brennstoffzellen verwendet, die keine Treibhausgasemissionen erzeugen, sondern für Wasser.

Es gab auch einige Bedenken hinsichtlich möglicher Probleme im Zusammenhang mit dem Austreten von Wasserstoffgas. Molekularer Wasserstoff tritt langsam aus den meisten Sicherheitsbehältern aus. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass, wenn signifikante Mengen von Wasserstoffgas (H2) entweichen, Wasserstoffgas aufgrund von ultravioletter Strahlung freie Radikale (H) in der Stratosphäre bilden kann. Diese freien Radikale könnten dann als Katalysatoren für den Ozonabbau wirken. Ein ausreichend großer Anstieg des stratosphärischen Wasserstoffs aus ausgetretenem H2 könnte den Verarmungsprozess verschlimmern. Die Auswirkungen dieser Leckprobleme sind jedoch möglicherweise nicht signifikant. Die Menge an Wasserstoff, die heute austritt, ist viel geringer (um den Faktor 10-100) als die geschätzte 10-20%, die von einigen Forschern vermutet wird; In Deutschland liegt die Leckrate beispielsweise nur bei 0,1% (weniger als die Erdgasleckrate von 0,7%). Höchstens eine solche Leckage würde wahrscheinlich nicht mehr als 1-2% betragen, selbst bei weitverbreitetem Wasserstoffeinsatz unter Verwendung der gegenwärtigen Technologie.

Kosten
Im Jahr 2004 war die Produktion von Wasserstoffbrennstoff durch Dampfreformierung oder Elektrolyse etwa 3- bis 6-mal teurer als die Produktion einer äquivalenten Brennstoffeinheit aus Erdgas. Bei der Bewertung der Kosten werden in der Regel fossile Brennstoffe als Referenz verwendet. Der Energiegehalt dieser Brennstoffe ist kein Produkt menschlicher Anstrengung und hat daher keine Kosten. Berücksichtigt werden nur die Förder-, Veredelungs-, Transport- und Produktionskosten. Auf der anderen Seite muss der Energiegehalt einer Einheit von Wasserstoffbrennstoff hergestellt werden und hat somit erhebliche Kosten, zusätzlich zu allen Kosten der Raffination, des Transports und der Verteilung. Systeme, die regenerativ erzeugten Strom direkter nutzen, beispielsweise in Oberleitungsbussen oder in batterieelektrischen Fahrzeugen, können einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil haben, da weniger Umwandlungsprozesse zwischen Primärenergiequelle und Verwendungsort erforderlich sind.

Die Barriere für die Senkung des Preises für hochreinen Wasserstoff liegt bei Kosten von mehr als 35 kWh Elektrizität, die zur Erzeugung jedes Kilogramms Wasserstoffgas verwendet werden. Wasserstoff, der durch Dampfreformierung erzeugt wird, kostet ungefähr das Dreifache der Kosten von Erdgas pro produzierter Energieeinheit. Dies bedeutet, dass, wenn Erdgas 6 USD / Million BTU kostet, Wasserstoff 18 USD / Million BTU beträgt. Auch die Produktion von Wasserstoff aus der Elektrolyse mit Strom von 5 Cent / kWh kostet 28 US-Dollar / Million BTU – etwa das 1,5-fache der Kosten von Wasserstoff aus Erdgas. Beachten Sie, dass die Kosten der Wasserstoffproduktion aus Elektrizität eine lineare Funktion der Stromkosten sind, so dass Strom mit 10 Cent / kWh bedeutet, dass Wasserstoff 56 US $ / Million BTU kostet.

Nachgewiesene Fortschritte in der Elektrolyse- und Brennstoffzellentechnologie von ITM Power haben zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff geführt. Kostensenkungen würden dazu führen, dass Wasserstoff aus netzfernen erneuerbaren Quellen für das Betanken von Fahrzeugen wirtschaftlich ist.

Wasserstoff-Pipelines sind teurer als selbst Fernleitungen. Bei gleicher Enthalpie ist Wasserstoff etwa dreimal voluminöser als Erdgas. Wasserstoff beschleunigt die Rissbildung von Stahl (Wasserstoffversprödung), was die Wartungskosten, Leckraten und Materialkosten erhöht. Der Kostenunterschied wird wahrscheinlich mit neuerer Technologie zunehmen: Drähte, die in der Luft schweben, können höhere Spannungen mit nur geringfügig erhöhten Materialkosten verwenden, aber höhere Druckrohre erfordern proportional mehr Material.

Die Einrichtung einer Wasserstoffwirtschaft würde enorme Investitionen in die Infrastruktur zur Speicherung und Verteilung von Wasserstoff an Fahrzeuge erfordern. Im Gegensatz dazu würden batterieelektrische Fahrzeuge, die bereits öffentlich verfügbar sind, keinen sofortigen Ausbau der bestehenden Infrastruktur für die Übertragung und Verteilung von Elektrizität erfordern. Kraftwerkskapazitäten, die nachts ungenutzt bleiben, könnten zum Aufladen von Elektrofahrzeugen genutzt werden. Eine im Dezember 2006 vom Pacific Northwest National Laboratory für das US-Energieministerium durchgeführte Studie ergab, dass die ungenutzte Off-Peak-Netzkapazität in den USA ausreichen würde, um 84% aller Fahrzeuge in den USA mit Strom zu versorgen, wenn alle sofort ersetzt würden elektrische Fahrzeuge.

Unterschiedliche Produktionsmethoden haben jeweils unterschiedliche Investitions- und Grenzkosten. Die Energie- und Rohstoffe könnten aus einer Vielzahl von Quellen stammen, nämlich Erdgas, Kernkraft, Sonne, Wind, Biomasse, Kohle, andere fossile Brennstoffe und Erdwärme.

Erdgas in kleinem Maßstab
Verwendet Dampfreformierung. Benötigt 15,9 Millionen Kubikfuß (450.000 m3) Gas, das, wenn es von kleinen 500 kg / Tag Reformern zum Zeitpunkt der Abgabe (dh der Tankstelle) produziert würde, 777.000 Reformern entsprechen würde, die $ 1 Billion kosten und 150 Millionen Tonnen produzieren würden Wasserstoffgas jährlich. Überwindet die Notwendigkeit einer Verteilungsinfrastruktur für Wasserstoff. 3,00 $ pro GGE (Gallonen Benzin-Äquivalent)

Nuklear
Liefert Energie für die Elektrolyse von Wasser. Benötigen 240.000 Tonnen nicht angereichertes Uran – das sind 2.000 600-Megawatt-Kraftwerke, die $ 840 Milliarden oder etwa $ 2,50 pro GGE kosten würde.

Solar
Liefert Energie für die Elektrolyse von Wasser. Würde erfordern 2.500 kWh Sonne pro Quadratmeter, 113 Millionen 40-Kilowatt-Systeme, die $ 22 Billionen oder ungefähr $ 9,50 pro GGE kosten würden.

Wind
Liefert Energie für die Elektrolyse von Wasser. Bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 7 Metern pro Sekunde würde es 1 Million 2-MW-Windturbinen erfordern, was 3 Billionen US-Dollar oder ungefähr 3 US-Dollar pro GGE kosten würde.

Biomasse
Vergasungsanlagen würden Gas mit Dampfreformierung erzeugen. 1,5 Milliarden Tonnen trockener Biomasse, 3.300 Pflanzen, die 113.4 Millionen Acres (460.000 km²) eines landwirtschaftlichen Betriebes benötigen würden, um die Biomasse zu produzieren. Kosten von 565 Milliarden Dollar oder etwa 1,90 Dollar pro GGE

Kohle
FutureGen-Anlagen nutzen Kohlevergasung und dann Dampfreformierung. Benötigt 1 Milliarde Tonnen Kohle oder etwa 1.000 275-Megawatt-Anlagen mit Kosten von etwa 500 Milliarden Dollar oder etwa 1 Dollar pro GGE.
DOE Kostenziele

Beispiele und Pilotprogramme
Mehrere US-amerikanische Automobilhersteller haben sich verpflichtet, Fahrzeuge mit Wasserstoff zu entwickeln. Die Verteilung von Wasserstoff zum Zweck des Transports wird derzeit weltweit getestet, insbesondere in Portugal, Island, Norwegen, Dänemark, Deutschland, Kalifornien, Japan und Kanada, aber die Kosten sind sehr hoch.

Einige Krankenhäuser haben kombinierte Elektrolyseur-Speicher-Brennstoffzellen-Einheiten für lokale Notstromversorgung installiert. Diese sind wegen ihres geringen Wartungsbedarfs und ihrer einfachen Anordnung im Vergleich zu Generatoren mit interner Verbrennung für den Notbetrieb vorteilhaft.

Island hat sich verpflichtet, bis zum Jahr 2050 die weltweit erste Wasserstoffwirtschaft zu werden. Island hat eine einzigartige Position. Derzeit importiert es alle Erdölprodukte, die für den Antrieb seiner Autos und Fischereiflotten erforderlich sind. Island hat große geothermische Ressourcen, so dass der lokale Strompreis tatsächlich niedriger ist als der Preis für die Kohlenwasserstoffe, die für die Stromerzeugung genutzt werden könnten.

Island wandelt seinen überschüssigen Strom bereits in exportierbare Güter und Kohlenwasserstoffersatz um. Im Jahr 2002 wurden 2000 Tonnen Wasserstoffgas durch Elektrolyse erzeugt, hauptsächlich zur Herstellung von Ammoniak (NH3) für Düngemittel. Ammoniak wird in der ganzen Welt produziert, transportiert und verwendet, und 90% der Kosten von Ammoniak sind die Kosten der Energie, um es zu produzieren. Island entwickelt auch eine Aluminiumschmelzindustrie. Die Aluminiumkosten werden hauptsächlich durch die Stromkosten für den Betrieb der Hütten verursacht. Jede dieser Industrien könnte den gesamten potenziellen geothermischen Strom Islands effektiv exportieren.

Keine Industrie ersetzt direkt Kohlenwasserstoffe. In Reykjavík, Island, gab es eine kleine Pilotflotte von Stadtbussen, die mit komprimiertem Wasserstoff betrieben wurden, und es wurde bereits geforscht, die Fischereiflotte des Landes mit Wasserstoff zu versorgen. Praktischerweise könnte Island importiertes Öl mit Wasserstoff verarbeiten, um es zu verlängern, anstatt es vollständig zu ersetzen.

Die Reykjavík-Busse sind Teil eines größeren Programms, HyFLEET: CUTE, das mit Wasserstoff betriebene Busse in acht europäischen Städten betreibt. HyFLEET: CUTE-Busse wurden auch in Peking, China und Perth, Australien (siehe unten) betrieben. Auf der norwegischen Insel Utsira ist ein Pilotprojekt zur Demonstration einer Wasserstoffwirtschaft in Betrieb. Die Anlage kombiniert Windkraft und Wasserstoffkraft. In Zeiten, in denen überschüssige Windenergie vorhanden ist, wird die überschüssige Energie zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse verwendet. Der Wasserstoff wird gespeichert und steht in Zeiten mit wenig Wind für die Stromerzeugung zur Verfügung.

Die Vereinigten Staaten haben eine Wasserstoffpolitik mit mehreren Beispielen. Ein Joint Venture zwischen NREL und Xcel Energy kombiniert in Colorado die gleiche Art von Windkraft und Wasserstoff. Hydro in Neufundland und Labrador wandelt das derzeitige Wind-Diesel-Kraftwerkssystem auf der abgelegenen Insel Ramea in eine Wind-Wasserstoff-Hybrid-Kraftwerk-Anlage um. Ein ähnliches Pilotprojekt auf Stuart Island nutzt Solarstrom anstelle von Windenergie zur Stromerzeugung. Wenn überschüssige Elektrizität verfügbar ist, nachdem die Batterien voll sind, wird Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt und für die spätere Produktion von Elektrizität durch die Brennstoffzelle gespeichert.

Großbritannien startete im Januar 2004 ein Brennstoffzellen-Pilotprogramm, das bis Dezember 2005 zwei Brennstoffzellenbusse auf der Route 25 in London betrieb und bis Januar 2007 auf die Route RV1 umstellte. Die Wasserstoffexpedition arbeitet derzeit daran, eine Wasserstoff-Brennstoffzelle zu schaffen. powered ship und damit um den Globus zu umrunden, als eine Möglichkeit, die Fähigkeit von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu demonstrieren.

Das Westaustralische Ministerium für Planung und Infrastruktur betrieb im Rahmen seiner Perth-Brennstoffzellen-Bus-Studie “Sustainable Transport Energy” drei Brennstoffzellen-Busse von Daimler Chrysler Citaro. Die Busse wurden von Path Transit auf regulären öffentlichen Buslinien von Transperth betrieben. Der Versuch begann im September 2004 und endete im September 2007. Die Brennstoffzellen der Busse nutzten ein Protonenaustauschmembransystem und wurden von einer BP-Raffinerie in Kwinana, südlich von Perth, mit Rohwasserstoff versorgt. Der Wasserstoff war ein Nebenprodukt des industriellen Prozesses der Raffinerie. Die Busse wurden an einer Station im nördlichen Vorort Perth von Malaga betankt.

Die Organisation der Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung (UNIDO) und das türkische Ministerium für Energie und natürliche Ressourcen haben 2003 ein Treuhandfonds-Abkommen über 40 Millionen US-Dollar für die Gründung des Internationalen Zentrums für Wasserstoff-Energietechnologie (UNIDO-ICHET) in Istanbul unterzeichnet Im Jahr 2004 wird in den Räumlichkeiten von UNIDO-ICHET ein Wasserstoff-Gabelstapler, ein Wasserstoffwagen und ein mit erneuerbaren Energien betriebenes Mobilhaus demonstriert. Ein unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem arbeitet seit April 2009 in der Zentrale der Istanbul Sea Buses Company.

Wasserstoff verwendende Alternativen zu einer vollständig distributiven Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff ist einfach eine Methode, Energie zu speichern und zu übertragen. Verschiedene alternative Energieübertragungs- und Speicherszenarien, die mit der Wasserstoffproduktion beginnen, diese aber nicht für alle Teile der Speicher- und Übertragungsinfrastruktur verwenden, können sowohl in naher als auch in ferner Zukunft wirtschaftlicher sein. Diese schließen ein:

Ammoniak Wirtschaft
Eine Alternative zu gasförmigem Wasserstoff als Energieträger besteht darin, ihn mit Stickstoff aus der Luft zu binden, um Ammoniak zu erzeugen, der leicht verflüssigt, transportiert und (direkt oder indirekt) als sauberer und erneuerbarer Brennstoff verwendet werden kann. Zum Beispiel haben Forscher bei CSIRO in Australien 2018 einen Toyota Mirai und Hyundai Nexo mit Wasserstoff gespeist, der durch eine Membrantechnologie von Ammoniak getrennt wurde.

Wasserstoffproduktion von treibhausneutralem Alkohol
Die Methanolwirtschaft ist ein Synfuel-Produktionsenergieplan, der mit der Wasserstoffproduktion beginnen kann. Wasserstoff in einer vollständigen “Wasserstoffwirtschaft” wurde ursprünglich vorgeschlagen, um erneuerbare Energie in umweltfreundlicher Form für Kraftfahrzeuge verfügbar zu machen. Eine theoretische Alternative zur Lösung des gleichen Problems besteht jedoch darin, Wasserstoff zentral herzustellen und ihn sofort für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus einer CO2-Quelle zu nutzen. Dies würde die Notwendigkeit beseitigen, den Wasserstoff zu transportieren und zu lagern. Die Quelle könnte CO2 sein, das von brennstoffbetriebenen Kraftwerken erzeugt wird. Um Treibhausneutral zu sein, müsste die CO2-Quelle in einem solchen Plan aus Luft, Biomasse oder einer anderen CO2-Quelle stammen, die sich bereits in der Luft befindet oder in diese freigesetzt wird. Direkt-Methanol-Brennstoffzellen werden kommerziell verwendet, obwohl sie ab August 2011 nicht effizient sind.

Das Stromnetz plus synthetische Methanol-Brennstoffzellen
Viele der oben beschriebenen Hybridstrategien, die gebundenen Wasserstoff verwenden, um andere, leichter verwendbare Brennstoffe zu erzeugen, könnten effektiver sein als die Wasserstoffproduktion allein. Kurzzeitiger Energiespeicher (dh die Energie wird nicht lange nach der Erfassung verbraucht) kann am besten mit Batterie oder sogar mit Ultrakondensatorspeicher erreicht werden. Längerfristige Energiespeicherung (was bedeutet, dass die Energie wochen- oder monatelang nach dem Einfangen verbraucht wird) kann besser mit synthetischem Methan oder Alkoholen erfolgen, die unbegrenzt zu relativ niedrigen Kosten gelagert und sogar direkt in einigen Arten von Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge verwendet werden können . Diese Strategien passen gut zum jüngsten Interesse an Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (kurz: Plug-in Hybrid Electric Vehicles oder PHEVs), die für ihren Energiebedarf eine Hybridstrategie aus Elektro- und Kraftstoffspeicher verwenden. Die Speicherung von Wasserstoff wurde von einigen als optimal in einem engen Bereich der Energiespeicherzeit vorgeschlagen, wahrscheinlich zwischen einigen Tagen und einigen Wochen. Diese Reichweite wird durch Verbesserungen in der Batterietechnologie weiter eingeschränkt. Es ist immer möglich, dass es zu einem Durchbruch bei der Wasserstoffspeicherung oder Wasserstofferzeugung kommen könnte, aber dies ist unwahrscheinlich, da die physikalischen und chemischen Beschränkungen der technischen Möglichkeiten recht gut verstanden sind.

Captive Synthese von synthetischem Methan (SNG synthetisches Erdgas)
Ähnlich wie bei der Herstellung von synthetischem Alkohol kann Wasserstoff direkt vor Ort (nicht biologisch) zur Herstellung von treibhausneutralen gasförmigen Brennstoffen verwendet werden. Daher wurde die Produktion von gewächshausneutralem Methan in Gefangenschafts-Wasserstoff-Produktion vorgeschlagen (beachten Sie, dass dies die Umkehrung der vorliegenden Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus natürlichem Methan ist, die jedoch kein endgültiges Verbrennen und Freisetzen von fossilem Kohlenstoff erfordert). Captive-Wasserstoff (und Kohlendioxid aus beispielsweise CCS (Carbon Capture & Storage)) kann vor Ort verwendet werden, um Methan unter Verwendung der Sabatier-Reaktion zu synthetisieren. Dies ist ungefähr 60% effizient, und der Umlauf verringert sich auf 20 bis 36%, abhängig von der Art der Brennstoffnutzung. Dies ist sogar niedriger als bei Wasserstoff, aber die Speicherkosten fallen um mindestens einen Faktor 3 aufgrund des höheren Siedepunkts von Methan und der höheren Energiedichte. Flüssiges Methan hat die 3,2-fache Energiedichte von flüssigem Wasserstoff und ist leichter kompakt zu lagern. Zusätzlich ist die Rohrinfrastruktur (Erdgaspipelines) bereits vorhanden. Es existieren bereits erdgasbetriebene Fahrzeuge, von denen bekannt ist, dass sie sich leichter von der vorhandenen internen Motortechnologie anpassen lassen, als Verbrennungsmotoren, die direkt mit Wasserstoff betrieben werden. Erfahrungen mit erdgasbetriebenen Fahrzeugen zeigen, dass die Methanspeicherung kostengünstig ist, sobald man die Kosten der Umwandlung zur Speicherung des Brennstoffs akzeptiert hat. Die Kosten für die Lagerung von Alkohol sind jedoch noch niedriger, so dass diese Technologie Methan produzieren müsste, was erhebliche Einsparungen bei der Alkoholproduktion bedeutet. Endgültige Reifepreise für Kraftstoffe in den konkurrierenden Technologien sind derzeit nicht bekannt, aber beide sollen erhebliche infrastrukturelle Einsparungen gegenüber Versuchen, Wasserstoff direkt zu transportieren und zu verwenden, bieten.

In einem hypothetischen, von erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem wurde vorgeschlagen, den überschüssigen Strom aus Wind, Photovoltaik, Wasserkraft, Meeresströmungen und anderen zu nutzen, um Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser zu erzeugen und dann mit CO2 zu Methan (Erdgas) zu kombinieren. Wasserstoff würde zunächst aufgrund seiner höheren Produktionseffizienz vor Ort in Brennstoffzellen (CHP) oder für den Transport eingesetzt werden und dann Methan erzeugen, das dann in das bestehende Gasnetz eingespeist werden könnte, um bei Bedarf Strom und Wärme zu erzeugen, um tiefe erneuerbare Energiequellen zu überwinden Produktion. Das beschriebene Verfahren wäre die Erzeugung von Wasserstoff (der teilweise direkt in Brennstoffzellen verwendet werden könnte) und die Zugabe von Kohlendioxid CO2 möglicherweise aus BECCS (Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) über die (Sabatier-Reaktion), um Methan wie folgt zu erzeugen : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.