Eine Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept einer Energiewirtschaft, die hauptsächlich oder ausschließlich Wasserstoff als Energieträger verwendet. Bisher wurde in keinem Land der Erde eine Wasserstoffwirtschaft realisiert.

Wie Strom ist Wasserstoff keine Primärenergiequelle, sondern muss zunächst künstlich und mit Energieverlusten aus anderen Energiequellen (fossile, nukleare oder erneuerbare Energien) gewonnen werden. So ist eine Wasserstoffwirtschaft nicht automatisch nachhaltig, sondern nur so nachhaltig wie die Primärenergie, aus der der Wasserstoff gewonnen wird. Dies geschieht derzeit vor allem mit Wasserstoff für den Einsatz in der chemischen Industrie auf Basis fossiler Brennstoffe, Konzepte für zukünftige Wasserstoffwirtschaften sehen dagegen meist die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien vor, die eine solche Wasserstoffwirtschaft ermöglichen könnten emissionsfrei.

Während in vielen Ländern derzeit keine klassische Wasserstoffwirtschaft auf dem neuesten Stand der Technik verfolgt wird, ist geplant, im Rahmen der Energiewende und des Ausbaus Wasserstoff oder aus Wasserstoff gewonnene Kraftstoffe wie Methan oder Methanol in die bestehende Energieinfrastruktur zu integrieren von erneuerbaren Energien. Eine wichtige Rolle spielt die Power-to-Gas-Technologie, der als Langzeitspeicher eine wichtige Rolle zukommt.

Die Ebenen einer Energiewirtschaft
Die Ideen basieren auf der Umsetzung von Wasserstoff auf allen Ebenen der Energiewirtschaft:

Entwicklung von benötigten Primärenergiequellen
Energie produzieren
Energiespeicher
Verwendung von Energie
Energiehandel und -verteilung
Verkauf und Abrechnung
Gewährleistung der Versorgungssicherheit
Jede dieser Ebenen ist technisch erforscht und teilweise für Wasserstoff realisiert.

Produktion, Lagerung, Infrastruktur
Heutiger Wasserstoff wird hauptsächlich (> 90%) aus fossilen Quellen hergestellt. Die Verbindung seiner zentralisierten Produktion mit einer Flotte von leichten Brennstoffzellenfahrzeugen würde die Aufstellung und den Aufbau einer Verteilungsinfrastruktur mit großen Kapitalinvestitionen erfordern. Ferner muss die technologische Herausforderung, eine sichere, energiedichte Speicherung von Wasserstoff an Bord des Fahrzeugs bereitzustellen, überwunden werden, um eine ausreichende Reichweite zwischen den Füllungen bereitzustellen.

Methoden der Produktion
Molekularer Wasserstoff ist auf der Erde in geeigneten natürlichen Reservoirs nicht verfügbar. Der meiste Wasserstoff in der Lithosphäre ist an Sauerstoff in Wasser gebunden. Die Herstellung von elementarem Wasserstoff erfordert den Verbrauch eines Wasserstoffträgers wie eines fossilen Brennstoffs oder Wassers. Der ehemalige Frachtführer verbraucht die fossilen Ressourcen und produziert Kohlendioxid, benötigt aber oft keinen weiteren Energieeintrag über den fossilen Brennstoff hinaus. Die Zerlegung von Wasser, letzterer Träger, erfordert elektrische oder Wärmezufuhr, die von einer primären Energiequelle (fossiler Brennstoff, Kernkraft oder erneuerbare Energie) erzeugt wird. Wasserstoff kann auch durch Verfeinern des Abstroms aus geothermischen Quellen in der Lithosphäre erzeugt werden. Wasserstoff, der durch emissionsfreie erneuerbare Energiequellen erzeugt wird, wie die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Windkraft, Sonnenenergie, Wasserkraft, Wellenkraft oder Gezeitenkraft, wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Wasserstoff aus nicht erneuerbaren Energiequellen kann als brauner Wasserstoff bezeichnet werden. Wasserstoff, der als Abfallnebenprodukt oder industrielles Nebenprodukt erzeugt wird, wird manchmal als grauer Wasserstoff bezeichnet.

Aktuelle Produktionsmethoden
Wasserstoff wird industriell aus der Dampfreformierung hergestellt, die fossile Brennstoffe wie Erdgas, Öl oder Kohle verwendet. Der Energiegehalt des erzeugten Wasserstoffs ist geringer als der Energieinhalt des ursprünglichen Brennstoffs, ein Teil davon geht als übermäßige Wärme während der Produktion verloren. Dampfreformierung führt zu Kohlendioxidemissionen, genauso wie es ein Automotor tun würde.

Ein kleiner Teil (4% im Jahr 2006) wird durch Elektrolyse mit Strom und Wasser erzeugt und verbraucht etwa 50 Kilowattstunden Strom pro Kilogramm produziertem Wasserstoff.

Kværner-Prozess
Der Kværner-Prozess oder Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (CB & H) ist eine in den 1980er Jahren von einem norwegischen Unternehmen mit dem gleichen Namen entwickelte Methode zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen (CnHm) wie Methan, Erdgas und Biogas . Von der verfügbaren Energie des Einsatzmaterials sind ungefähr 48% in dem Wasserstoff enthalten, 40% sind in Aktivkohle und 10% in überhitztem Dampf enthalten.

Elektrolyse von Wasser
Wasserstoff kann durch Hochdruckelektrolyse, Niederdruckelektrolyse von Wasser oder eine Reihe von anderen aufkommenden elektrochemischen Prozessen wie Hochtemperaturelektrolyse oder Kohlenstoff-unterstützte Elektrolyse hergestellt werden. Die derzeit besten Verfahren für die Wasserelektrolyse weisen jedoch einen effektiven elektrischen Wirkungsgrad von 70 bis 80% auf, so dass die Herstellung von 1 kg Wasserstoff (der eine spezifische Energie von 143 MJ / kg oder etwa 40 kWh / kg aufweist) 50 bis 55 kWh erfordert Elektrizität. Bei einem Stromkosten von 0,06 $ / kWh, wie in den Wasserstoffproduktionszielen des Ministeriums für Energie für 2015 festgelegt, betragen die Wasserstoffkosten 3 $ / kg. Mit der Bandbreite der Erdgaspreise aus 2016 (Grafik des Fahrplans für die Wasserstoffproduktion im November 2017), bei der die Kosten für SMR-Wasserstoff zwischen 1,20 und 1,50 US-Dollar liegen, liegt der Kostenpreis für Wasserstoff durch Elektrolyse immer noch über dem doppelten Wert für Wasserstoff Zielpreise. Der US-DOE-Richtpreis für Wasserstoff im Jahr 2020 beträgt 2,30 $ / kg, was eine Stromkosten von 0,037 $ / kWh erfordert, was angesichts der jüngsten PPA-Ausschreibungen für Wind- und Solarenergie in vielen Regionen erreichbar ist. Dies bringt das Ziel, $ 4 / gge H2 abzugeben, gut in Reichweite und nahe bei den leicht erhöhten Erdgasproduktionskosten für SMR.

In anderen Teilen der Welt liegt die Methanreformierung von Dampf zwischen $ 1-3 / kg im Durchschnitt. Dies macht die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolysekosten in vielen Regionen bereits wettbewerbsfähig, wie von Nel Hydrogen und anderen dargelegt, einschließlich eines Artikels der IEA, der die Bedingungen untersucht, die zu einem Wettbewerbsvorteil für die Elektrolyse führen könnten.

Experimentelle Produktionsmethoden

Biologische Produktion
Die fermentative Wasserstoffproduktion ist die fermentative Umwandlung von organischem Substrat in Biowasserstoff, die sich durch eine vielfältige Gruppe von Bakterien unter Verwendung von Multi-Enzym-Systemen zeigt, die drei Schritte ähnlich der anaeroben Umwandlung umfassen. Dunkle Fermentationsreaktionen benötigen keine Lichtenergie, so dass sie ständig Wasserstoff aus organischen Verbindungen tagsüber und nachts produzieren können. Die Photofermentation unterscheidet sich von der dunklen Fermentation, da sie nur in Gegenwart von Licht stattfindet. Zum Beispiel kann Photo-Fermentation mit Rhodobacter sphaeroides SH2C verwendet werden, um niedermolekulare Fettsäuren in Wasserstoff umzuwandeln. Die Elektrohydrogenese wird in mikrobiellen Brennstoffzellen verwendet, in denen Wasserstoff aus organischen Substanzen (z. B. aus Abwasser oder Feststoffen) erzeugt wird, während 0,2 – 0,8 V angelegt werden.

Biologischer Wasserstoff kann in einem Algenbioreaktor hergestellt werden. In den späten 1990er Jahren wurde entdeckt, dass, wenn die Algen von Schwefel befreit werden, sie von der Produktion von Sauerstoff, dh normaler Photosynthese, zur Produktion von Wasserstoff wechseln wird.

Biologischer Wasserstoff kann in Bioreaktoren hergestellt werden, die andere Einsatzstoffe als Algen verwenden, wobei die am häufigsten verwendeten Rohstoffe Abfallströme sind. Der Prozess beinhaltet Bakterien, die sich von Kohlenwasserstoffen ernähren und Wasserstoff und CO2 ausscheiden. Das CO2 kann erfolgreich durch mehrere Methoden abgeschieden werden, wobei Wasserstoffgas zurückbleibt. In den Jahren 2006-2007 hat NanoLogix zum ersten Mal einen Prototyp eines Wasserstoff-Bioreaktors mit Abfall als Rohstoff in der Traubensaftfabrik von Welch in North East, Pennsylvania (USA), vorgestellt.

Biokatalyse-Elektrolyse
Neben der normalen Elektrolyse ist die Elektrolyse mit Mikroben eine weitere Möglichkeit. Bei der biokatalytischen Elektrolyse wird nach dem Durchlaufen der mikrobiellen Brennstoffzelle Wasserstoff erzeugt und eine Vielzahl von Wasserpflanzen kann verwendet werden. Dazu gehören Schilfgras, Cordgrass, Reis, Tomaten, Lupinen und Algen

Hochdruck-Elektrolyse
Hochdruckelektrolyse ist die Elektrolyse von Wasser durch Zersetzung von Wasser (H 2 O) in Sauerstoff (O 2) und Wasserstoffgas (H 2) mittels eines elektrischen Stroms, der durch das Wasser geleitet wird. Der Unterschied zu einem Standard-Elektrolyseur ist der Druckwasserstoff-Ausstoß um 120-200 bar (1740-2900 psi, 12-20 MPa). Durch die Druckbeaufschlagung des Wasserstoffs im Elektrolyseur durch einen als chemische Kompression bekannten Prozess wird der Bedarf an einem externen Wasserstoffkompressor eliminiert, der durchschnittliche Energieverbrauch für die interne Kompression beträgt etwa 3%. In Kokkola, Finnland, wird die größte Wasserstoffproduktionsanlage Europas (1 400 000 kg / a, Hochdruckelektrolyse von Wasser, Acaline-Technologie) betrieben.

Hochtemperatur-Elektrolyse
Wasserstoff kann aus Energie gewonnen werden, die in Form von Wärme und Elektrizität durch Hochtemperaturelektrolyse (HTE) zugeführt wird. Weil ein Teil der Energie in HTE in Form von Wärme geliefert wird, muss weniger Energie zweimal umgewandelt werden (von Wärme zu Elektrizität und dann zu chemischer Form), und so wird möglicherweise viel weniger Energie pro Kilogramm produziertem Wasserstoff benötigt.

Während nuklear erzeugter Strom für die Elektrolyse genutzt werden könnte, kann Kernwärme direkt zur Spaltung von Wasserstoff aus Wasser verwendet werden. Gasgekühlte Kernreaktoren mit hoher Temperatur (950-1000 ° C) haben das Potenzial, Wasserstoff aus Wasser durch thermochemische Mittel unter Verwendung von Kernwärme zu spalten. Die Erforschung von Hochtemperatur-Kernreaktoren könnte schließlich zu einer Wasserstoffversorgung führen, die mit der Erdgasdampfreformierung wettbewerbsfähig ist. General Atomics sagt voraus, dass Wasserstoff, der in einem Hochtemperaturgasgekühlten Reaktor (HTGR) erzeugt wird, 1,53 $ / kg kosten würde. Im Jahr 2003 ergab die Dampfreformierung von Erdgas Wasserstoff bei 1,40 $ / kg. Im Jahr 2005 kostet Erdgas Wasserstoff 2,70 $ / kg.

Hochtemperatur-Elektrolyse wurde in einem Labor mit 108 MJ (thermisch) pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff nachgewiesen, jedoch nicht im kommerziellen Maßstab. Darüber hinaus handelt es sich um minderwertigen „kommerziellen“ Wasserstoff, der für den Einsatz in Brennstoffzellen ungeeignet ist.

Photoelektrochemische Wasserspaltung
Die Nutzung von Strom aus Photovoltaikanlagen bietet den saubersten Weg, Wasserstoff zu produzieren. Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt – ein photoelektrochemischer Zellprozess (PEC), der auch als künstliche Photosynthese bezeichnet wird. William Ayers bei Energy Conversion Devices demonstrierte und patentierte das erste photoelektrochemische Multi-Effektivitäts-Photoelektrochemiesystem zur direkten Wasserspaltung im Jahr 1983. Diese Gruppe demonstrierte die direkte Wasserspaltung, die heute als „künstliches Blatt“ oder „drahtlose solare Wasserspaltung“ bezeichnet wird amorphes Dünnfilm-Silicium-Mehrfachübergangsblatt, das direkt in Wasser eingetaucht ist. Wasserstoff entwickelte sich auf der vorderen amorphen Siliziumoberfläche, die mit verschiedenen Katalysatoren dekoriert war, während Sauerstoff von dem Rückmetallsubstrat abfiel. Eine Nafion-Membran über der Mehrfachübergangszelle stellte einen Weg für den Ionentransport bereit. Ihr Patent führt auch eine Vielzahl anderer Halbleitermaterialien mit mehreren Übergängen für die direkte Wasserspaltung neben amorphen Silicium- und Silicium-Germanium-Legierungen auf. Die Forschung geht weiter zur Entwicklung hocheffizienter Multi-Junction-Zellentechnologie an Universitäten und in der Photovoltaikindustrie. Wenn dieser Prozess durch direkt in Wasser suspendierte Photokatalysatoren unterstützt wird, anstatt Photovoltaik und ein elektrolytisches System zu verwenden, erfolgt die Reaktion in nur einem Schritt, was die Effizienz verbessern kann.

Photoelektrokatalytische Produktion
Eine von Thomas Nann und seinem Team an der Universität von East Anglia untersuchte Methode besteht aus einer Goldelektrode, die mit Schichten aus Indiumphosphid (InP) -Nanopartikeln bedeckt ist. Sie führten einen Eisen-Schwefel-Komplex in die geschichtete Anordnung ein, der beim Eintauchen in Wasser und Bestrahlen mit Licht unter einem kleinen elektrischen Strom Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von 60% erzeugte.

Im Jahr 2015 wurde berichtet, dass die Panasonic Corp. einen Photokatalysator basierend auf Niobnitrid entwickelt hat, der 57% des Sonnenlichts absorbieren kann, um die Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoffgas zu unterstützen. Das Unternehmen plant eine kommerzielle Anwendung „so früh wie möglich“, nicht vor 2020.

Konzentrierende Solarthermie
Zur Dissoziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind sehr hohe Temperaturen erforderlich. Ein Katalysator wird benötigt, um den Prozess bei möglichen Temperaturen arbeiten zu lassen. Die Erwärmung des Wassers kann durch konzentrierende Sonnenenergie erreicht werden. Hydrosol-2 ist eine 100-Kilowatt-Pilotanlage auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien, die mit Sonnenlicht die benötigten 800 bis 1.200 ° C für die Wassererwärmung erzeugt. Hydrosol II ist seit 2008 in Betrieb. Die Konstruktion dieser 100-Kilowatt-Pilotanlage basiert auf einem modularen Konzept. Daher könnte es möglich sein, dass diese Technologie leicht auf den Megawatt-Bereich skaliert werden könnte, indem die verfügbaren Reaktoreinheiten multipliziert und die Anlage mit Heliostatenfeldern (Feldern von Sonnenverfolgungsspiegeln) geeigneter Größe verbunden wird.

Thermochemische Produktion
Es gibt mehr als 352 thermochemische Zyklen, die für die Wasserspaltung verwendet werden können, etwa ein Dutzend dieser Zyklen, wie der Eisenoxid-Zyklus, der Cer (IV) -oxid-Cer (III) -oxid-Zyklus, der Zink-Zinkoxid-Zyklus, Schwefel-Jod Zyklus, Kupfer-Chlor-Zyklus und Hybrid-Schwefel-Zyklus sind in der Forschung und in der Testphase, um Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Wärme ohne Strom zu erzeugen. Diese Prozesse können effizienter sein als die Hochtemperaturelektrolyse, typisch im Bereich von 35% – 49% LHV-Effizienz. Die thermochemische Produktion von Wasserstoff unter Verwendung von chemischer Energie aus Kohle oder Erdgas wird im Allgemeinen nicht berücksichtigt, da der direkte chemische Weg effizienter ist.

Keines der thermochemischen Wasserstoffproduktionsverfahren wurde in Produktionsmengen nachgewiesen, obwohl mehrere in Laboratorien demonstriert wurden.

Wasserstoff als Nebenprodukt anderer chemischer Prozesse
Die industrielle Produktion von Chlor und Ätznatron durch Elektrolyse erzeugt eine beträchtliche Menge an Wasserstoff als Nebenprodukt. Im Antwerpener Hafen wird ein 1 MW Demonstrations-Brennstoffzellen-Kraftwerk mit einem solchen Nebenprodukt betrieben. Diese Einheit ist seit Ende 2011 in Betrieb. Der überschüssige Wasserstoff wird oft mit einer Wasserstoff-Pinch-Analyse gemanagt.

Lager
Obwohl molekularer Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte auf einer Massenbasis hat, teilweise aufgrund seines niedrigen Molekulargewichts, hat er als ein Gas bei Umgebungsbedingungen eine sehr niedrige Energiedichte in Volumen. Wenn es als Kraftstoff verwendet werden soll, der an Bord des Fahrzeugs gespeichert ist, muss reines Wasserstoffgas in einer energiedichten Form gespeichert werden, um eine ausreichende Reichweite bereitzustellen.

Druckgas Wasserstoff
Steigender Gasdruck verbessert die Volumenstromdichte und damit kleinere, aber nicht leichtere Behältertanks (siehe Druckbehälter). Das Erzielen höherer Drücke erfordert eine größere Nutzung von externer Energie, um die Kompression anzutreiben. Die Masse der Wasserstofftanks, die für komprimierten Wasserstoff benötigt werden, verringert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs. Weil es ein kleines Molekül ist, neigt Wasserstoff dazu, durch irgendein Auskleidungsmaterial zu diffundieren, das dazu bestimmt ist, es aufzunehmen, was zur Versprödung oder Schwächung seines Behälters führt. Die gebräuchlichste Methode der Wasserstoffspeicherung an Bord von heutigen Demonstrationsfahrzeugen ist ein komprimiertes Gas mit Drücken von etwa 700 bar (70 MPa).

Flüssiger Wasserstoff
Alternativ kann flüssiger Wasserstoff oder Slush-Wasserstoff mit höherer volumetrischer Energiedichte verwendet werden. Flüssiger Wasserstoff ist jedoch kryogen und siedet bei 20,268 K (-252,882 ° C oder -423,188 ° F). Kryogene Lagerung verringert das Gewicht, erfordert jedoch große Verflüssigungsenergien. Der Verflüssigungsprozess, der Druck und Kühlschritte beinhaltet, ist energieintensiv. Der verflüssigte Wasserstoff hat aufgrund der geringen Dichte von flüssigem Wasserstoff eine um etwa das Vierfache geringere Energiedichte als Benzin. Tatsächlich gibt es in einem Liter Benzin (116 Gramm) mehr Wasserstoff als in einem Liter reiner Flüssigkeit Wasserstoff (71 Gramm). Flüssigwasserstoff-Lagertanks müssen ebenfalls gut isoliert sein, um das Abkochen zu minimieren.

Japan hat einen Flüssigwasserstoff (LH2) -Speicher an einem Terminal in Kobe und wird voraussichtlich im Jahr 2020 die erste Lieferung von flüssigem Wasserstoff über LH2-Träger erhalten. Wasserstoff wird verflüssigt, indem seine Temperatur auf -253 ° C reduziert wird, ähnlich wie verflüssigtes natürliches Gas (LNG), das bei -162 ° C gelagert wird. Ein potentieller Wirkungsgradverlust von 12,79% kann erreicht werden, oder 4,26 kWh / kg von 33,3 kWh / kg.

Lagerung als Hydrid
Abgesehen von der Speicherung von molekularem Wasserstoff kann Wasserstoff als chemisches Hydrid oder in einer anderen wasserstoffhaltigen Verbindung gespeichert werden. Wasserstoffgas wird mit einigen anderen Materialien umgesetzt, um das Wasserstoffspeichermaterial zu erzeugen, das relativ leicht transportiert werden kann. Am Verwendungsort kann das Wasserstoffspeichermaterial zur Zersetzung gebracht werden, was Wasserstoffgas ergibt. Neben den Massen- und Volumendichteproblemen, die mit der Speicherung von molekularem Wasserstoff verbunden sind, rühren die derzeitigen Barrieren für praktische Speicherschemata von den Hochdruck- und Temperaturbedingungen her, die für die Hydridbildung und Wasserstofffreisetzung benötigt werden. Für viele potentielle Systeme sind auch die Kinetik und das Wärmemanagement hinsichtlich der Hydrierung und Dehydrierung Probleme, die überwunden werden müssen. Ein französisches Unternehmen McPhy Energy entwickelt das erste auf Magnesiumhydrat basierende Industrieprodukt, das bereits an einige wichtige Kunden wie Iwatani und ENEL verkauft wurde.

Adsorption
Ein dritter Ansatz besteht darin, molekularen Wasserstoff auf der Oberfläche eines festen Speichermaterials zu adsorbieren. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Hydriden dissoziiert / rekombiniert der Wasserstoff beim Laden / Entladen des Speichersystems nicht und rekombiniert daher nicht und leidet daher nicht unter den kinetischen Beschränkungen vieler Hydridspeichersysteme. Wasserstoffdichten ähnlich zu verflüssigtem Wasserstoff können mit geeigneten Adsorptionsmaterialien erreicht werden. Einige vorgeschlagene Adsorptionsmittel schließen Aktivkohle, nanostrukturierte Kohlenstoffe (einschließlich CNTs), MOFs und Wasserstoffclathrathydrat ein.

Unterirdische Wasserstoffspeicherung
Unterirdische Wasserstoffspeicherung ist die Praxis der Wasserstoffspeicherung in unterirdischen Kavernen, Salzstöcken und erschöpften Öl- und Gasfeldern. Große Mengen gasförmigen Wasserstoffs werden von ICI jahrelang problemlos in unterirdischen Kavernen gespeichert. Die Speicherung von großen Mengen flüssigen Wasserstoffs im Untergrund kann als Netzspeicher dienen. Die Round-Trip-Effizienz beträgt etwa 40% (gegenüber 75-80% für Pump-Hydro (PHES)), und die Kosten sind etwas höher als bei Pump-Hydro. Eine andere Studie, auf die in einem Arbeitspapier der europäischen Mitarbeiter verwiesen wurde, ergab, dass für Großspeicher die günstigste Option Wasserstoff für 140 Stunden pro Stunde und 2.000 Stunden Lagerung mit einem Elektrolyseur, einem Salzkavernenspeicher und einem Kombikraftwerk ist. Das europäische Projekt Hyunder wies 2013 darauf hin, dass für die Speicherung von Wind- und Solarenergie zusätzliche 85 Kavernen benötigt werden, da diese nicht durch PHES- und CAES-Systeme gedeckt werden können. Eine deutsche Fallstudie zur Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen ergab, dass, wenn der deutsche Stromüberschuss (7% der gesamten erneuerbaren Energieerzeugung bis 2025 und 20% bis 2050) zu Wasserstoff umgewandelt und unterirdisch gespeichert würde, diese Mengen etwa 15 Kavernen erfordern würden Bis zum Jahr 2025 sollen es je 500.000 Kubikmeter und bis 2050 rund 60 Kavernen sein – das entspricht etwa einem Drittel der derzeit in Deutschland betriebenen unterirdischen Gaskavernen. In den USA forschen Sandia Labs an der Speicherung von Wasserstoff in verarmten Öl- und Gasfeldern, die leicht große Mengen an regenerativ erzeugtem Wasserstoff absorbieren könnten, da rund 2,7 Millionen verarmte Quellen existieren.

Macht zu Gas
Power to Gas ist eine Technologie, die elektrische Energie in einen Gasbrennstoff umwandelt. Es gibt 2 Methoden, die erste besteht darin, den Strom zur Wasserspaltung zu nutzen und den entstehenden Wasserstoff in das Erdgasnetz einzuspritzen. Die zweite (weniger effiziente) Methode wird verwendet, um Kohlendioxid und Wasser durch Elektrolyse und die Sabatier-Reaktion in Methan (siehe Erdgas) umzuwandeln. Die von Windgeneratoren oder Solar-Arrays erzeugte Überschussenergie oder Off-Peak-Leistung wird dann für die Lastverteilung im Energienetz verwendet. Nutzung des bestehenden Erdgas-Systems für Wasserstoff Der Brennstoffzellen-Hersteller Hydrogenics und der Erdgas-Distributor Enbridge haben sich zusammengetan, um ein solches Power-to-Gas-System in Kanada zu entwickeln.

Pipeline-Speicher
Ein Erdgasnetz kann zur Speicherung von Wasserstoff verwendet werden. Vor der Umstellung auf Erdgas wurden die deutschen Gasnetze mit Stadtgas betrieben, das größtenteils aus Wasserstoff bestand. Die Speicherkapazität des deutschen Erdgasnetzes beträgt mehr als 200.000 GW • h, was für mehrere Monate Energiebedarf reicht. Zum Vergleich: Die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke beträgt nur etwa 40 GW • h. Der Transport von Energie durch ein Gasnetz erfolgt mit wesentlich weniger Verlust (<0,1%) als in einem Stromnetz (8%). Die Nutzung der bestehenden Erdgaspipelines für Wasserstoff wurde von NaturalHy untersucht Infrastruktur Die Wasserstoffinfrastruktur würde hauptsächlich aus industriellen Wasserstoff-Pipeline-Transporten und Wasserstoff-Tankstellen bestehen, wie sie auf einer Wasserstoffautobahn zu finden sind. Wasserstoffstationen, die nicht in der Nähe einer Wasserstoff-Pipeline liegen, werden über Wasserstofftanks, Druckgas-Auflieger, Flüssigwasserstoff-Anhänger, Flüssigwasserstoff-Tankwagen oder eigene Produktion versorgt. Wegen der Wasserstoffversprödung von Stahl und Korrosion erfordern Erdgasleitungen innere Beschichtungen oder einen Austausch, um Wasserstoff zu transportieren. Techniken sind bekannt; Derzeit gibt es in den Vereinigten Staaten mehr als 700 Meilen Wasserstoffpipeline. Obwohl Pipelines teuer sind, sind sie die günstigste Art Wasserstoff zu transportieren. Wasserstoffgasleitungen sind in großen Ölraffinerien Routine, da Wasserstoff zum Hydrocracken von Kraftstoffen aus Rohöl verwendet wird. Wasserstoffverrohrung kann theoretisch in verteilten Systemen der Wasserstoffproduktion vermieden werden, wo Wasserstoff routinemäßig vor Ort mit mittelgroßen oder kleinen Generatoren hergestellt wird, die genug Wasserstoff für den persönlichen Gebrauch oder vielleicht eine Nachbarschaft produzieren würden. Letztendlich könnte eine Kombination von Optionen für die Wasserstoffgasverteilung erfolgreich sein. Während Millionen Tonnen elementaren Wasserstoffs jedes Jahr auf verschiedene Arten in der Welt verteilt werden, würde die Wasserstoffinfrastruktur für die einzelnen Verbraucher eine Weiterentwicklung der Brennstoffinfrastruktur erfordern. Zum Beispiel leben laut GM 70% der US-Bevölkerung in der Nähe einer Wasserstoff-erzeugenden Einrichtung, haben aber nur wenig Zugang zu diesem Wasserstoff. Die gleiche Studie zeigt jedoch, dass der Aufbau der Infrastruktur auf eine systematische Weise viel machbarer und erschwinglicher ist, als die meisten Leute denken. Zum Beispiel hat ein Artikel festgestellt, dass Wasserstoffstationen innerhalb von 10 Meilen in der Metro Los Angeles und auf den Autobahnen zwischen LA und benachbarten Städten wie Palm Springs, Las Vegas, San Diego und Santa Barbara für die Kosten eines Starbucks platziert werden könnten Latte für jeden der 15 Millionen Einwohner in diesen Gebieten. Ein wichtiger Kompromiss: zentralisierte vs. verteilte Produktion In einer zukünftigen Wasserstoff-Gesamtwirtschaft würden Primärenergiequellen und -rohstoffe genutzt, um Wasserstoffgas als gespeicherte Energie für den Einsatz in verschiedenen Wirtschaftssektoren zu produzieren. Die Erzeugung von Wasserstoff aus anderen primären Energiequellen als Kohle, Öl und Erdgas würde zu einer geringeren Produktion der für die Verbrennung dieser fossilen Energieressourcen charakteristischen Treibhausgase führen. Ein wesentliches Merkmal einer Wasserstoffwirtschaft wäre, dass in mobilen Anwendungen (vor allem im Fahrzeugverkehr) Energieerzeugung und -nutzung entkoppelt werden könnten. Die Primärenergiequelle müsste nicht mehr mit dem Fahrzeug fahren, wie es derzeit mit Kohlenwasserstoffkraftstoffen geschieht. Anstelle von Endrohren, die zerstreute Emissionen erzeugen, könnte die Energie (und die Verschmutzung) von punktuellen Quellen wie großen zentralisierten Anlagen mit verbesserter Effizienz erzeugt werden. Dies würde die Möglichkeit von Technologien wie Kohlenstoffsequestrierung ermöglichen, die für mobile Anwendungen sonst nicht möglich sind. Alternativ könnten dezentrale Energieerzeugungsschemata (wie zum Beispiel erneuerbare Energiequellen im kleinen Maßstab) verwendet werden, möglicherweise in Verbindung mit Wasserstoffstationen. Abgesehen von der Energieerzeugung könnte die Wasserstoffproduktion zentralisiert, verteilt oder eine Mischung aus beidem sein. Während die Erzeugung von Wasserstoff in zentralen Primärenergieanlagen eine höhere Wasserstoffproduktionseffizienz verspricht, machen Schwierigkeiten bei großvolumigen Wasserstofftransporten über große Entfernungen (aufgrund von Wasserstoffschäden und der Leichtigkeit der Wasserstoffdiffusion durch feste Materialien) die elektrische Energieverteilung innerhalb eines Wasserstoffs attraktiv Wirtschaft. In einem solchen Szenario könnten kleine regionale Anlagen oder sogar lokale Tankstellen mithilfe von Energie aus dem Stromnetz Wasserstoff erzeugen. Während die Wasserstofferzeugungseffizienz wahrscheinlich niedriger ist als bei der zentralen Wasserstofferzeugung, könnten Verluste beim Wasserstofftransport ein solches System effizienter hinsichtlich der Primärenergie machen, die pro Kilogramm an den Endverbraucher abgegebenen Wasserstoffs verwendet wird. Die richtige Balance zwischen Wasserstoffverteilung und elektrischer Fernverteilung ist eine der Hauptfragen, die sich über die Wasserstoffwirtschaft stellen. Wiederum können die Dilemmata der Produktionsquellen und des Transports von Wasserstoff durch die Erzeugung von Wasserstoff aus regenerativen Quellen außerhalb des Netzes überwunden werden. Verteilte Elektrolyse Die dezentrale Elektrolyse würde die Probleme der Verteilung von Wasserstoff durch Verteilung von Elektrizität umgehen. Es würde vorhandene elektrische Netze nutzen, um Elektrizität zu kleinen, vor Ort befindlichen Elektrolyseuren an Tankstellen zu transportieren. Die Berücksichtigung der zur Erzeugung der Strom- und Übertragungsverluste verwendeten Energie würde jedoch die Gesamteffizienz verringern. Erdgas-Kombikraftwerke, die fast den gesamten Bau neuer Stromerzeugungsanlagen in den USA ausmachen, erzeugen Strom mit Wirkungsgraden von 60 Prozent oder mehr. Eine erhöhte Nachfrage nach Elektrizität, sei es aufgrund von Wasserstoffautos oder anderer Nachfrage, hätte geringfügige Auswirkungen auf den Zubau von neuen Kombikraftwerken. Auf dieser Basis wäre eine verteilte Produktion von Wasserstoff in etwa 40% effizient. Nimmt man jedoch den marginalen Einfluss auf das heutige Stromnetz mit einem Wirkungsgrad von etwa 40% aufgrund der Mischung von Brennstoffen und Umwandlungsverfahren, würde die Effizienz der verteilten Wasserstoffproduktion bei etwa 25% liegen. Die verteilte Produktion von Wasserstoff auf diese Weise würde Luftemissionen von Schadstoffen und Kohlendioxid an verschiedenen Stellen in der Lieferkette erzeugen, z. B. Elektrolyse, Transport und Lagerung. Solche externen Effekte wie die Umweltverschmutzung müssen gegen die potenziellen Vorteile einer Wasserstoffwirtschaft abgewogen werden. Energetische Nutzung von Wasserstoff Das wichtigste Element bei der Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Es wandelt die in Wasserstoff enthaltene Energie in Wärme und Elektrizität um. Verwenden Sie im Haus Bei der häuslichen Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle kann, wie bei der Kraft-Wärme-Kopplung, eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden, die den Gesamtwirkungsgrad erhöht. Da dieser Betriebsmodus auf die Wärmeproduktion ausgerichtet ist, werden diese Systeme entsprechend dem Wärmebedarf gesteuert, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Vaillant hat eine Brennstoffzellenheizung entwickelt, die über einen Reformer auch mit Erdgas betrieben werden kann. Der theoretisch erreichbare Heizwertwirkungsgrad beträgt ca. 83%. Wenn der Wirkungsgrad wie bei thermischen Kraftwerken und Verbrennungsmotoren in der Regel auf dem Heizwert basiert, ergibt sich ein theoretischer maximaler Wirkungsgrad von ca. 98%. Abhängig vom Brennstoffzellentyp liegen die Systemwirkungsgrade zwischen 40% und 65%, wobei unklar ist, ob es sich dabei um Brennwerte oder Brennwerte handelt. Verwenden Sie im Verkehr Ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug hat i. A. ein Drucktank (z. B. 700 bar), der an einer Wasserstofftankstelle betankt werden kann. Als Methoden der Krafterzeugung ist entweder ein weitgehend konventioneller Verbrennungsmotor möglich, ähnlich dem Fahren mit Erdgas, oder eine "kalte Verbrennung" in einer Brennstoffzelle. In dem Brennstoffzellenfahrzeug wird elektrische Energie mit der Brennstoffzelle erzeugt, die einen Elektromotor antreibt. Verbrennungsmotor Als brennbares Gas kann Wasserstoff in einem weitgehend konventionellen Verbrennungsmotor ("Wasserstoff-Verbrennungsmotor") ähnlich wie bei erdgasbetriebenen Fahrzeugen zu mechanischer Rotationsenergie (beispielsweise im BMW Hydrogen 7) verbrannt werden. Brennstoffzelle In dem Brennstoffzellenfahrzeug wird elektrische Energie mit der Brennstoffzelle erzeugt, die einen Elektromotor antreibt. Auch in Bussen wird die Wasserstofftechnologie in der Praxis erprobt. Die aktuelle Generation der Wasserstoffbusse (2009) erreicht mit 35 kg Wasserstoff eine Reichweite von rund 250 km. Brennstoffzellenautos sind viel teurer als Elektroautos. Laut Fritz Henderson (CEO von General Motors) wird ein solches Fahrzeug etwa 400.000 US-Dollar kosten (Stand 2009). Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda sollen die Produktionskosten für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge drastisch gesenkt haben. (Der Toyota Mirai zum Beispiel ist in Deutschland für knapp 80.000 Euro erhältlich.) Toyota produziert H 2-Autos in kleinen Serien und setzt in großem Stil auf die Brennstoffzelle. Mit der Mercedes B-Klasse F-Cell und zwei Vorserienfahrzeugen des Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) wurden Reichweiten von 500 km bei Höchstgeschwindigkeiten von 80 km / h erreicht. Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebs zu demonstrieren, hat Daimler mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse eine "Weltumrundung" erfolgreich abgeschlossen. 200 Serienfahrzeuge dieses Typs wurden 2010 an Kunden ausgeliefert. Es gibt jetzt einige Busse, z. Zum Beispiel der Mercedes-Benz Citaro FuelCELL Hybrid von verschiedenen Herstellern, die mit Brennstoffzellen arbeiten. Darüber hinaus sind die Schienenfahrzeuge mit der Technologie von Hydrail seit 2005 in die Perspektive der Wasserstoffwirtschaft gekommen. Als eines der ersten Unternehmen nahm die japanische East Railroad Company eine Hybridlokomotive in Betrieb. Ende 2017 wurden 14 Züge mit Brennstoffzellenantrieb beim niedersächsischen Hersteller Alstom bestellt. Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) führen seit Frühjahr 2014 in ihren rollenden Minibars Wasserstoff-Brennstoffzellen ein, um genug Energie für die integrierte Espressomaschine auf der Straße zu haben, die den Fahrgästen nun auch Cappuccino anbieten kann. Die bisher üblichen Akkumulatoren wären für diese energieaufwendige Aufgabe zu schwer gewesen. Wasserstoffsicherheit Wasserstoff hat mit wenigen Ausnahmen wie Acetylen, Silan und Ethylenoxid einen der breitesten Zünd- / Sprengstoffbereiche aller Gase. Das bedeutet, dass ein Wasserstoffleck unabhängig vom Mischungsverhältnis zwischen Luft und Wasserstoff höchstwahrscheinlich zu einer Explosion und nicht zu einer bloßen Flamme führt, wenn eine Flamme oder ein Funke das Gemisch entzündet. Dies macht den Einsatz von Wasserstoff in geschlossenen Räumen wie Tunneln oder Tiefgaragen besonders gefährlich. Reine Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen brennen im ultravioletten Bereich und sind für das bloße Auge nahezu unsichtbar. Daher ist ein Flammenwächter erforderlich, um zu erkennen, ob ein Wasserstoffleck brennt. Wasserstoff ist geruchlos und Lecks können nicht durch Geruch festgestellt werden. Wasserstoffcodes und Standards sind Codes und Standards für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge, stationäre Brennstoffzellenanwendungen und tragbare Brennstoffzellenanwendungen.Es gibt Codes und Standards für die Sicherheit, zB für die Installation stationärer Brennstoffzellen-Stromversorgungssysteme der National Fire Protection Association. Codes und Standards wurden als ein großes institutionelles System für den Einsatz von Wasserstoff-Technologien entwickelt und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft identifiziert. Um die Kommerzialisierung von Wasserstoff in Verbraucherprodukten zu ermöglichen, werden neue Modellbauvorschriften und -ausrüstungen sowie andere technische Standards von Bund, Ländern und Kommunen entwickelt und anerkannt. Eine der Maßnahmen auf der Roadmap ist die Umsetzung höherer Sicherheitsstandards wie die frühe Lecksuche mit Wasserstoffsensoren.Das kanadische Wasserstoffsicherheitsprogramm ist zu dem Schluss geführt, dass die Betankung mit Wasserstoff sicher oder sicher ist, die Betankung mit komprimiertem Erdgas (CNG). Die Europäische Kommission hat das weltweite Hochschulprogramm für Wasserstoffsicherheitstechnik an der Universität Ulster finanziert. Es wird erwartet, dass die breite Öffentlichkeit in der Lage ist, mit einem Minimum an Sicherheit und Komfort zu arbeiten, wie es im Fall der fossilen Brennstoffe der Fall ist.