Wasserstoff und Brennstoffzellen

2.9 Dezentralität

Im Energiebereich ist bereits seit geraumer Zeit ein Trend zur Dezentralisierung zu erkennen. Im Jahr 2000 lag der Anteil von dezentralen Anlagen noch bei 8 Prozent. Im Jahr 2020 soll dieser Anteil bereits bei 40 Prozent liegen.

Das Ziel beim Übergang zu mehr Dezentralität ist der Einsatz von Energieversorgungseinheiten direkt in unmittelbarer Nähe der Verbrauchsstelle, um die Transportwege und damit unnötige Energieverluste zu reduzieren. Außerdem lässt sich so in der Regel auch die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme vor Ort nutzen (Kraft-Wärme-Kopplung), wodurch wiederum der Gesamtwirkungsgrad gesteigert wird. Damit die Koordination dieser dezentral installierten Systeme funktionieren kann, ist passend dazu ein dezentrales Energiemanagement-System (DEMS) erforderlich.

Eine Variante auf dem Weg zu mehr Dezentralität ist der Bau von so genannten virtuellen Kraftwerken. Ein virtuelles Kraftwerk ist eine Vernetzung vieler, kleiner, dezentral installierter Stromerzeugungsanlagen. In Frage kommen beispielsweise Brennstoffzellen, aber auch Mikrogasturbinen und Gasmotoren, die von außen über ein zentrales Leitsystem gesteuert werden.

Virtuelle Kraftwerke lassen sich beispielsweise als Ergänzung und Entlastung der zentralen Stromerzeugung in Großkraftwerken zur Abdeckung von Bedarfsspitzen nutzen. Die zentralen Leitsysteme können dafür im Bedarfsfall die dezentralen Anlagen auf Volllast hochfahren, wenn gleichzeitig eine Wärmenutzung möglich ist. Ein maßgeblicher Vorteil der virtuellen Kraftwerke ist die Minimierung der Übertragungs- und Transformationsverluste, die beim konventionellen Stromtransport in Hochspannungsleitungen beziehungsweise bei der Umwandlung für die Mittel- und Niederspannungsnetze zu erheblichen Einbußen führen.

Die ersten Brennstoffzellen-Anlagen wurden bereits zur Jahreswende 2002/03 als virtuelles Kraftwerk installiert und betrieben.

2.10 Förderung

Einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Entwicklung im Energiesektor haben die politischen Rahmenbedingungen, die von Seiten der Regierung vorgegeben werden. Ein wichtiges Instrument zur Unterstützung alternativer Energietechniken ist dabei die Förderpolitik. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG, Einführung 1. April 2000) beispielsweise hat erheblich zum Aufschwung der regenerativen Energien beigetragen.

Im Erneuerbare-Energien-Gesetz wird geregelt, dass Stromerzeuger das Recht erhalten, Strom aus erneuerbaren Energien in das Netz einzuspeisen. Die Netzbetreiber sind dabei verpflichtet, eine festgelegte Mindestvergütung an den Erzeuger zu zahlen. Die Kosten dafür werden auf alle Stromkunden verteilt. Es handelt sich daher also um keine staatliche Beihilfe, keine Subvention. Bei einem jährlichen Stromverbrauch von 3.000 Kilowattstunden sind im Jahr 2003 in einem Durchschnittshaushalt Mehrkosten infolge des EEG in Höhe von 13 Euro angefallen.

Anlässlich der Novellierung des EEG entwickelte sich zum Ende des Jahres 2003 eine lebhafte Diskussion zwischen Politik und Energiewirtschaft über die Weiterführung dieses politischen Instruments. Anfang November kam es schließlich zu einer Einigung zwischen Umwelt- und Wirtschaftsministerium, dass das EEG als Instrument im Kern erhalten bleiben soll. Ziel des neuen Gesetzes ist es nun, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis 2020 auf mindestens 20 Prozent zu erhöhen. Die Details standen allerdings im Mai 2004 noch nicht fest, da im Bundesrat der Vermittlungsausschuss zur Klärung strittiger Punkte angerufen wurde.

Im Bereich der Solarenergie war es bereits zuvor zu einer Sonderregelung gekommen. Damit der befürchtete Fadenriss in der Photovoltaik-Branche nach Auslaufen des 100.000-Dächer-Solarstromprogramms Mitte 2003 verhindert wurde, beschloss Ende November der Bundestag mit den Stimmen der Union das „Solarstrom-Vorschaltgesetz“. Das Gesetz konnte somit zum 1. Januar 2004 in Kraft treten. Diese Extralösung für diesen Energiesektor war notwendig geworden, weil Verzögerungen bei der Einigung auf die EEG-Novelle ansonsten zu einer Förderlücke mit argen Problemen im PV-Bereich geführt hätten.

Eine weitere staatliche Maßnahme zur Unterstützung der erneuerbaren Energien ist die Biomasse-Verordnung (BiomasseV), die am 28. Juni 2001 im Rahmen des EEG in Kraft getreten ist. Sie regelt, welche Stoffe als Biomasse anerkannt werden, welche technischen Verfahren zur Anwendung kommen und welche Umweltanforderungen bei der Stromerzeugung aus Biomasse einzuhalten sind.

Bereits im September 1999 war das Marktanreizprogramm zur Nutzung erneuerbarer Energien (MAP) aufgelegt worden und unterstützt seitdem die breite Markteinführung vor allem im Wärmemarkt. Das Programm fördert den stärkeren Einsatz von

• Solarkollektoranlagen,

• Photovoltaikanlagen für Schulen,

• Anlagen zur Verbrennung fester Biomasse,

• Anlagen zur Nutzung der oberflächenfernen Geothermie,

• Biogasanlagen und

• Kleinen Wasserkraftanlagen.

Im KfW-CO₂-Gebäudesanierungsprogramm werden vorwiegend Maßnahmen zur Wärmedämmung und zur Modernisierung von Heizungsanlagen in Wohngebäuden des Altbaubestandes gefördert, die zur Energieeinsparung beitragen.

Weitere staatliche Maßnahmen zur Förderung erneuerbarer Energien sind:

• die ökologische Steuerreform (ÖSR),

• die Energieeinsparverordnung (EnEV),

• das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-Gesetz) und

• das Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP).

Durch die ökologische Steuerreform werden die grundsätzlichen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Energieeffizienzsteigerung verbessert. Die Energieeinsparverordnung fördert speziell bei Gebäuden den Einsatz erneuerbarer Energien zur Wärmeerzeugung und Warmwasserbereitung, während das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz insbesondere die gleichzeitige Nutzung von elektrischer und thermischer Energie unterstützt.

Die zunehmende Bedeutung des Bereiches Erneuerbare Energien lässt sich in Deutschland unter anderem auch anhand der Entwicklung der bereitgestellten Finanzmittel in den letzten Jahren ablesen. Bundesumweltminister Jürgen Trittin hatte ursprünglich im Februar 2002 erklärt, er wolle einen neuen Forschungsschwerpunkt zur weiteren Entwicklung der erneuerbaren Energien vorstellen, für den zunächst nur 30 Mio. Euro bereitstünden, die aus dem Zukunftsinvestitionsprogramm der Bundesregierung stammten. Im November 2002 wurde dann verlautbart, dass im Jahr 2003 zusätzlich 12,65 Mio. Euro von der Bundesregierung für Forschung und Markteinführung nachwachsender Rohstoffe ausgegeben würden. Damit erhöhten sich die Haushaltsmittel allein im Forschungsbereich von 26 auf 32 Mio. Euro und für die Markteinführung von 10 auf 16,65 Mio. Euro.

Im Laufe des Jahres 2003 wurde weiterhin deutlich, dass für das 100.000-Dächer-Programm deutlich mehr Mittel als ursprünglich eingeplant notwendig würden. Aus den zuvor vorgesehenen 17,6 Mio. Euro allein für Solarstrom wurden schließlich 27 Mio. Euro.

Rückwirkend betrachtet sind letztlich für Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien im Jahr 2003 etwa 59 Mio. Euro von staatlicher Seite investiert worden.

Für die weitere Entwicklung ist der Gesamtetat nochmals um über 10 Prozent auf 66 Mio. Euro angehoben worden, allerdings nicht für die Solarenergie. Die PV-Branche muss im Jahr 2004 mit rund 25 Mio. Euro auskommen, die Solarthermie-Branche mit 8 Mio. Euro. Das ergibt einen Rückgang bei der Solarwärme um 20 Prozent nach 10,4 Mio. Euro im Jahr 2003.

Während es vor zwei bis drei Jahren noch so aussah, als wenn Europa eine Führungsrolle in diesem Bereich übernehmen könnte, sind mittlerweile die USA und Japan bei der Brennstoffzellen-Forschung weltweit führend. Dies liegt im Falle der USA hauptsächlich an den ersten Anwendungen im Verteidigungssektor sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Die amerikanischen Programme Freedom Car und die Allianz für Keramik-Brennstoffzellen erhielten zum Beispiel 150 Mio. Euro beziehungsweise 30 Mio. Euro an Fördergeldern. Für das Projekt Freedom Car soll insgesamt 1,7 Mrd. Euro bereitgestellt werden.

Auf besondere Aufmerksamkeit stoßen auch die Aktivitäten des ehemaligen Schauspielers und derzeitigen Gouverneurs von Kalifornien, Arnold Schwarzenegger. Er hatte im Wahlkampf von so genannten H₂-Korridoren gesprochen und scheint diese auch tatsächlich realisieren zu wollen. An jeder kalifornischen Autobahn soll im Abstand von höchstens 20 Meilen eine Wasserstoff-Tankstelle entstehen. Bei einem Netz von insgesamt 200 Tankstellen, die jeweils 300.000 bis 500.000 $-US kosten, entstünden dadurch Gesamtkosten in Höhe von 100 Mio. $-US, die Schwarzenegger unter anderem mit Hilfe von Wirtschaftsunternehmen aufbringen will.

In Japan sieht es so aus, dass für ein 28-Jahre-Programm (1993 bis 2020) insgesamt 2,4 Mrd. Euro aufgewendet werden.

Die Anstrengungen der Europäischen Union (EU) waren lange Zeit wenig strukturiert und galten eher als unterfinanziert und zersplittert. Im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik liegen die staatlichen Investitionen der EU derzeit bei etwa 50 bis 60 Mio. Euro jährlich. Dies ist im Vergleich zu den USA (340 Mio. jährlich) und zu Japan (300 Mio. jährlich) nicht annähernd gleich viel.

Es gibt jedoch Hinweise, dass sich dies ändern könnte. Im 6. EU-Rahmenprogramm sollen die Mittel für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Forschung im Rahmen der Förderung von Forschung, Entwicklung und Innovation erheblich aufgestockt werden.

Im November 2003 stellte die Europäische Kommission dazu einen umfassenden Aktionsplan vor, in dem es darum geht, mit welchen Mitteln Investitionen in Netze und Wissen in der gesamten Europäischen Union angekurbelt werden müssen. Beabsichtigt ist, die EU bei Innovationen und technologischen Fortschritten an die Spitze zu bringen, und zwar dadurch, dass in den Jahren 2005 bis 2015 gezielt pan-europäische Projekte in diesen Bereichen eingeleitet werden.

Dazu zählt das Projekt Hypogen, das die Errichtung einer großen Testanlage zur Produktion von Wasserstoff und Strom beinhaltet (Budget 1,3 Mrd. Euro), während das Projekt Hycom die Einrichtung einer begrenzten Zahl von „hydrogen communities“ in der EU zum Ziel hat (Budget 1,5 Mrd. Euro). Wasserstoff soll als Quelle für die Strom- und Wärmeproduktion sowie als Fahrzeugkraftstoff dienen. [Altmann, 2003]

Ein weiterer Schritt ist die Gründung einer Wasserstoff-Forschungsplatt-form der Europäischen Kommission, die im Januar 2004 in Brüssel vorgenommen wurde. Kommissionspräsident Romano Prodi nannte das Ereignis einen Meilenstein für alle in Europa, die an Wasserstoff und Brennstoffzellen interessiert seien. Als Triebfeder nannte er sowohl das Problem der steigenden Energienachfrage sowie die Klimaschutzproblematik. In Anbetracht der heutigen Ölimportquote von 50 Prozent (im Jahr 2025 voraussichtlich 70 %), im Verkehrssektor sogar von 90 Prozent, sei sofortiges Handeln angebracht.

Darüber hinaus könnte eine internationale Partnerschaft zahlreicher in diesem Bereich tätiger Nationen für noch etwas mehr Belebung sorgen. Auf Anregung der USA haben sich im November 2003 die Vertreter von insgesamt 15 Staaten (Australien, Brasilien, China, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Indien, Island, Italien, Japan, Kanada, Norwegen, Russland, Südkorea, USA) und der EU-Kommission in Washington zusammengefunden, um eine Vereinbarung über die zukünftige Kooperation zu unterschreiben (International Partnership for the Hydrogen Economy, IPHE).

Dieser Zusammenschluss soll gemeinsame Forschungsvorhaben unterstützen und Aktivitäten fördern, die zum Fortschritt der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik beitragen. Außerdem sollen durch eine Bündelung verstreuter Ressourcen die Effektivität erhöht und international gültige Normen erarbeitet werden, alles in Zusammenarbeit mit der International Energy Agency (IEA).

3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER

Die Bezeichnung „Wasserstoff“ existiert bereits seit dem Jahr 1787. In diesem Jahr „taufte“ der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als „hydrogène“ (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach „Wasser-Bildner“.

Wasserstoff (H) tritt hauptsächlich als Molekül auf, da sich meist zwei Wasserstoff-Atome zusammentun zu H₂. In der Natur kommt auch das H₂- Molekül nur selten allein vor, weil es sich meist sehr schnell ein Sauerstoff-atom (O) sucht und zu Wasser (H₂O) reagiert. In wässrigen Lösungen bilden sich H₃O^+- Ionen.

Die Reaktion

verläuft bei einer Entzündung als Kettenreaktion ab

3.1 Chemische & physikalische Eigenschaften

Unter Umgebungsbedingungen ist Wasserstoff gasförmig (GH₂: engl. Gaseous Hydrogen). Die maximale Temperatur von flüssigem Wasserstoff (LH₂: engl. Liquid Hydrogen) beträgt bei Umgebungsdruck lediglich -253 °C. Die einzige Substanz, die einen noch tieferen Siedepunkt aufweisen kann, ist Helium (-270 °C).

Wasserstoff ist:

• ungiftig und nicht reizend

• umweltneutral, nicht wassergefährdend

• geruchlos

• geschmacksneutral

• unsichtbar

• leicht flüchtig

• im Freien nicht explosiv

• nicht radioaktiv

• nicht krebserzeugend

Die wichtigsten Kenngrößen:

Einige Merkmale:

• Häufigstes Element im Weltall mit etwa 55% Gewichtsanteil.

• Dritthäufigstes Atom in der Erdkruste, Massenanteil: 0,15 Prozent.

• 1/6000 der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Schwerer Wasserstoff“ = Deuterium = D mit 1 Neutron im Atomkern.

• 1/Billiarden der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Überschwerer Wasserstoff“ = Tritium = T mit 2 Neutronen im Kern; Tritium zerfällt nach 12 Jahren in das Helium-Isotop ( He).

• Kann auch mit anderen Oxidanten als Sauerstoff reagieren, z. B. mit Chlor oder Lachgas.

• Brennt im ultravioletten Bereich (310 ηm). Kann Sonnenbrand verursachen.

• 10mal geringere Wärmeabstrahlung bei der Verbrennung im Vergleich zu anderen Brenngasen, wegen des Mangels an Kohlenstoff.

• Molekül-Aufspaltung: H₂ 2H (ΔH = 437,6 kJ/mol)

• Verbrennung: H₂ + ½ O₂ H₂O (+ 289,5 kJ/mol = 0,08 kWh/mol = 40,2 kWh/kg_H2)

• Wasser enthält 11,2 Gew.-% Wasserstoff.

• Die Entspannung von Wasserstoff bei Normaltemperatur führt zu einer geringfügigen Erwärmung („negativer Joule-Thompson-Effekt“), weil der Umkehrpunkt von Wasserstoff (T_U = -73 °C) im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.

• Wasserstoff kann durchaus sicher gehandhabt werden, solange seine speziellen Eigenschaften – manchmal besser, manchmal schlechter und manchmal nur anders im Vergleich zu anderen Kraftstoffen – berücksichtigt werden.

Weitere Informationen über das Verhalten von Wasserstoff, die Entzündungswahrscheinlichkeit usw. im Kapitel 17.6 H₂-Sicherheitsmaßnahmen.

3.1.1 Knallgas-Probe

Wasserstoff (H₂) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar Energie abgegeben (exotherme Reaktion).

Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff oder Chlorgas als Ausgangsprodukte beteiligt. Derartige Gemische heißen auch Knallgas-Gemische. Die optimalen Mischungsverhältnisse kommen nach den Gasgesetzen von Gay-Lussac immer in ganzen Zahlen vor:

Wasserstoff : Sauerstoff = 2:1 und Wasserstoff : Chlor = 1:1.

Im Labor erfolgt der Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgas-Probe. Diese Probe dient auch zur Überprüfung, ob in einem Gas ein Knallgas-Gemisch vorliegt. Ertönt bei der Entzündung ein lauter pfeifender Knall, handelt es sich um Knallgas, bei einem harmlosen, dumpfen Geräusch ist nur reiner Wasserstoff vorhanden.

3.1.2 Flüchtiger Wasserstoff

Wasserstoff ist sehr leicht flüchtig. Dies spiegelt sich im großen Diffusions-koeffizienten sowie dem großen Dichteunterschied zu Luft wieder. Gelangt gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung, durchmischt er sich sehr schnell mit Luft und unterschreitet dementsprechend rasch die untere Zündgrenze (4 Vol.-%). Der hohe Diffusionskoeffizient und die geringe Viskosität haben ihre Ursache in den sehr kleinen Molekülen. Dies bewirkt, dass er sich sehr rasch mit Luft vermischt und relativ leicht durch enge Spalten entweichen kann.

Wird flüssiger Wasserstoff freigesetzt, erwärmt sich dieser durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz gegenüber Luft relativ schnell, so dass er verdampft. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie bei Benzin entsteht somit nicht, und es breiten sich auch keine brennbaren Dämpfe am Boden aus. Falls jedoch ein großer Tankbehälter schlagartig seinen gesamten Inhalt freisetzt oder eine LH₂-Leitung für flüssigen Wasserstoff abreißt, so dass sich doch eine Lache bildet, verdampft diese sehr schnell (0,4 bis 0,8 mm/s) (s. auch Kap. 17.6).

3.2 Material-Wechselwirkungen

Neben einer guten Kenntnis über die Stoffeigenschaften von Wasserstoff ist es darüber hinaus hilfreich und aus Sicherheitsgründen notwendig, auch das Verhalten anderer Stoffe beim Kontakt mit diesem Medium zu kennen. Dies betrifft sowohl die für das Kraftstoffsystem verwendeten Materialien, als auch andere Substanzen, mit denen der Kraftstoff im Unglücksfall in Kontakt kommen könnte (z. B. Hydrauliköl, Schmieröl, Kühlflüssigkeit, Dichtungsgummis usw.).

Besonders bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der damit verbundenen niedrigen Temperatur auf besondere Sorgfalt bei der Materialwahl zu achten (Kalt-Versprödung). Wie diese Bezeichnung schon erahnen lässt, ist die Kalt-Versprödung begründet in den niedrigen Temperaturen, die viele Materialien spröde und hart macht. Je niedriger die Temperatur ist, desto empfindlicher werden die Substanzen gegen äußere Einflüsse wie Stoß oder Verformung. Die Werkstoff-Kunde hat in diesem Bereich jedoch bereits ausreichende Erkenntnisse über das Materialverhalten verschiedener Legierungen, so dass auch für den kryogenen Bereich geeignete Werkstoffe zur Verfügung stehen.

Unabhängig von der Kalt-Versprödung gibt es noch ein ganz spezielles Material-Problem im Zusammenhang mit dem Medium Wasserstoff, die so genannte Wasserstoff-Versprödung, wobei es hierfür verschiedene Ursachen gibt. Einmal gibt es die H₂-Versprödung bei Umgebungstemperatur, wobei atomarer Wasserstoff in die Metallgitter eindringen kann. Neben der Aufspaltung des Wasserstoff-Moleküls entsteht atomarer Wasserstoff ebenfalls durch die Dissoziation von Gasen (z. B. H₂S, HCl, HCN). Die Versprödung tritt dann speziell an der Oberfläche bei plastischer Verformung infolge von äußeren Krafteinwirkungen auf, weil der Zusammenhalt des Metallgitters geschwächt ist. Die bei der Verformung in das Werkstück eingebrachte Energie wird als Dissoziationsenergie genutzt, so dass atomarer Wasserstoff in das Gefüge eindringt und dort die Bindungskräfte aufhebt.

Außerdem kann es bei Temperaturen oberhalb von 200 °C zu einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff oder anderen Legierungsbestandteilen von legiertem Stahl kommen. Dabei handelt es sich um eine irreversible Umstrukturierung des Metallgitters (Bildung von Blasen oder Rissen), die ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Darüber hinaus können Dichtigkeitsprobleme auftreten. Wasserstoff-Moleküle sind sehr klein und können durch enge Ritzen und Spalten entweichen. Verbindungsstellen und Dichtungen, die eigentlich wasser- und luftdicht sind, können diese Moleküle passieren lassen.

Normalerweise werden in der Kryogen-Technik Metalle wie Kupfer, Aluminium und Titan nebst deren Legierungen sowie Eisen-Nickel-Legierungen und austenitische Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Edelstahl ist im Allgemeinen auf Grund seiner Struktur gut geeignet für tiefkalte Armaturen, weil auch bei niedrigen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Zähigkeit vorliegen. Wird dieses Material jedoch in kaltem Zustand plastisch verformt, kann es zu einer Strukturveränderung kommen (austenitisch wechselt in martensitisch) mit veränderten Festigkeitseigenschaften. [Hübner, 2001], [Gradt, 2001]

Neben den Stoffeigenschaften der Materialien ist ebenso deren Handhabung von elementarer Bedeutung. Zur Fertigung von wasserstoffführenden Systemen sind Schweißverfahren notwendig, die qualitativ hochwertige Verbindungen erzeugen (hohe Bruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen). Am besten geeignet ist das Niederdruck-Elektronenstrahl-Verfahren (Reduced Pressure Electron Beam Welding RPEBW). Es erfüllt drei wichtige Anforderungen [Tanaka, Fujii, 2001]:

1. eine hohe Bruchfestigkeit

2. eine gute Gefügequalität bei kryogenen Temperaturen

3. eine hohe Leistungsfähigkeit