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Wasserstoff

Erneuerbarer Wasserstoff

In einer nachhaltigen Energiewirtschaft wird Wasserstoff eine wesentliche Rolle im Verkehr und auch bei der Speicherung regenerativer Energien spielen. Dafür ist die Entwicklung effizienter Verfahren zur großtechnischen Erzeugung von Wasserstoff Voraussetzung. Mittelfristig ist die Wasserstoffbereitstellung mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien die sinnvollste Variante. Langfristig können auch solarthermochemische Prozesse, wie etwa die solar beheizte Reformierung von Erd- oder Biogas oder die Spaltung von Wasser in Kreisprozessen auf Grund ihrer hohen Effizienz interessante Alternativen sein.

Pluspunkte für grünen Wasserstoff

Erneuerbarer Wasserstoff bietet eine Reihe von Vorteilen:
+    Er ist flexibel nutzbar im Verkehr, in chemischen Prozessen, zur Elektrizitätserzeugung und für Wärmegewinnung.
+    Die Verwendung von Wasserstoff ist „sauber“, da er rückstandsfrei zu Wasser verbrennt.
+    Grüner Wasserstoff ermöglicht Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffquellen.
+    Wasserstoff dient als Basis für die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe.
+    Die hochdynamische Wasserstoffproduktion hat einen guten Wirkungsgrad.
+    Wasserstoff kann zentral großskalig gespeichert werden (z. B. in Salzkavernen) und ist dann mittels Pipelines verteilbar.
+    Wasserstoff kann auch dezentral (z. B. über Tankstellen) zur Verfügung gestellt werden.

Wie kann man erneuerbaren Wasserstoff herstellen?

Die folgenden potenziell CO2 -freien Verfahren zur Wasserstoffproduktion befinden sich in unterschiedlichem Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungsstadium:

•    Alkalische Elektrolyse
AEL ist schon für die Erzeugung von Wasserstoff als chemischer Rohstoff industriell im Megawatt-Maßstab verfügbar (Betriebstemperatur ca. 80 °C).

•    Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse
PEM basiert auf einer protonenleitenden Polymermembran als Elektrolyt. Sie ist im MW-Maßstab bereits für Demonstrationszwecke verfügbar (Betriebstemperatur bei ca. 60–80 °C) und wird aktuell weiterentwickelt.

•    Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyse
SOEC basiert auf einem Sauerstoffionenleiter als Elektrolyt. Die Technologie befindet sich noch im Forschungs-stadium und kann erst im unteren Kilowattbereich als Versuchsanlage betrieben werden (Betriebstemperatur ca. 800 –1000 °C).

•    Solar-thermochemische Kreisprozesse
Wasser kann auch thermochemisch über sogenannte Kreisprozesse gespalten werden. Die notwendige Wärme von 800 bis 1500 °C wird über konzentrierende Solarsysteme erzeugt. Die Technologien befinden sich in einem technischen Erprobungsmaßstab von bis zu 750 kW thermisch.

•    Photo-elektrochemische Wasserspaltung
Die direkte photoelektrochemische (PEC) Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff mit modifi-zierten Halbleitermaterialien ermöglicht die Integration von Lichtabsorption und Elektrokatalyse in einem Bauelement. Die besten Wirkungsgrade variieren zurzeit zwischen 5 – 15 % für kostengünstige Metalloxide bzw. komplex aufgebaute III-V-Halbleiterelektroden. Derzeitige F&E-Arbeiten streben ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen bei der lichtinduzierten Wasserspaltung an und entwickeln neue, im Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten chemisch stabile Halbleiterschichten und Katalysatoren, sowie Konzepte für skalierbare Systemlösungen.

•    (Photo)-bioelektrochemische Wasserspaltung
Alternativ zur abiotischen elektrochemischen Wasserspaltung gibt es die Möglichkeit einer biologisch basierten (photo)-bioelektrochemischen Wasserstoffproduktion. Hierbei dienen wasserstoffproduzierende Enzyme und Mikroorganismen als Bioelektrokatalysatoren. Von besonderem Interesse sind dabei mikrobielle Elektrolyseure, welche rein durch elektrischen Strom angetrieben werden, sowie auf Photoelektroden basierende Elektrolyseure. Während erste auf elektroaktiven Mikroorganismen basieren, basieren letztere auf biologischen Komponenten, welche die Photosynthese von Pflanzen bzw. von Algen nachahmen.

•    Bio-artifizielle Photosynthese
Diese Art der Wasserstoffproduktion wird durch Sonnenenergie angetrieben. Hierbei werden wasserstoffproduzierende Enzyme an die natürliche Photosynthese von Mikroalgen gekoppelt. Diese Technologie befindet sich in einem frühen Forschungs- und Entwicklungsstadium. Ziel ist unter anderem auch die Entwicklung von wasserspaltenden/wasserstoffproduzierenden Katalysatoren zu ermöglichen, deren Komponenten die Photosynthese von Pflanzen bzw. von Algen nachahmen. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf der Entwicklung zellbasierter Systeme.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für erneuerbaren Wasserstoff

•    Kostengünstige Materialien, Materialkombination und Ersatzstoffe für Katalysatoren, Membranen, Stromübertragungs- und Gasverteilungs-Schichten, Rahmen- und Dichtungsstrukturen für alkalische, PEM- und Hochtemperaturelektrolyseure
•    Entwicklung kostengünstiger, langzeitstabiler Elektrodensysteme mit innovativen Elektrodenstrukturen und Elektrodenzusammensetzungen
•    Entwicklung von sicheren, effizienten HochdruckElektrolyseverfahren
•    Entwicklung kostengünstiger, großserientauglicher Produktionstechnologien
•    Entwicklung solarchemischer Verfahren zur Reformierung von Methan mit Hilfe konzentrierender Solarsysteme
•    Realisierung der direkten Wasserspaltung mit Hilfe thermochemischer Kreisprozesse, um solaren Wasserstoff herzustellen
•    Entwicklung von Betriebs- und Sicherheitsüber­ wachungssystemen für den vollautomatischen Wasserstofferzeugungsbetrieb; Verbesserung der Zuverlässigkeit der Anlagen
•    Grundlagen der Erzeugung von Wasserstoff aus biogenen Ressourcen:
– effiziente Kopplung von Hydrogenasen an die Photosysteme
– Etablierung von geeigneten mikrobiellen Wirts­ systemen
– Kontinuierliche biologische Produktionssysteme

Schnittstellentechnologien zu einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft
•    Optimierung der systemtechnischen Einbindung und Betriebsführung; Reduktion der System­ komplexität
•    Reduktion des Eigenenergiebedarfs
•    Verbesserte Nutzung von Stoff- und Energie­ strömen; Kopplung mit regenerativen Energien
•    System- und regelungstechnische Einbindung in Energiespeichersysteme
(Netz – Elektrolysesystem – Speicher – ggf. Rückverstromung – Nutzen von Abwärmen)
•    Optimierung der Betriebsführung zur schnellen Bereitstellung von Regelenergie und zum Umgang mit fluktuierendem (Überschuss-)Stromangebot (z. B. dynamisches Abfahren realer Wind- und PV-Profile, intermittierender Betrieb, Umsetzen rascher Leistungssprünge)

Photosynthese zur Wasserspaltung
•    Entwicklung von edelmetallfreien Katalysatoren, die ungiftig, kostengünstig und leicht verfügbar sind
•    Erforschung der kinetischen Prozesse bei der
Wasserspaltung in künstlichen und natürlichen Systemen
•    Entwicklung stabiler Photoabsorber und Photo­ katalysatoren auf molekularer und anorganischer Basis.

Empfehlungen des FVEE zur Weiterentwicklung der Nationalen Wasserstoffstrategie (Juli 2021)

Die Europäische Kommission hat im Herbst 2019 festgelegt, dass Europa bis spätestens 2050 klimaneutral werden soll, für Deutschland plant die Bundesregierung das Erreichen der Klimaneutralität für das Jahr 2045. Dabei spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle. Denn grüner Wasserstoff auf Basis von erneuerbaren Energien ist prädestiniert für die „Defossilisierung“ des Energiesystems. Folgerichtig baut die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung auf grünen Wasserstoff für die Klimaschutzziele.
Der FVEE möchte mit diesen Empfehlungen Denkanstöße für eine zielgerichtete Weiterentwicklung der Wasserstoffstrategie geben, damit Wasserstoff einen bestmöglichen Beitrag für das nachhaltige Energiesystem leisten kann. 
Die Empfehlungen des FVEE zur Weiterentwicklung der Nationalen Wasserstoffstrategie finden Sie hier.

Forschungsprojekte und Studien zum Thema Wasserstoff

Materialien zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

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Eine komplette Übersicht über alle FVEE-Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

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