Wasserstoff und Brenn stoffzellen
www.H2BZ-Hessen.de
Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
www.energieland.hessen.de
Energietechnologie ohne Emissionen und mit hoher Effizienz
INHALT
GRUSSWORT ··············································································································· 2
EINLEITUNG ················································································································ 3
H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN ···· 3
IDEAL VERNETZT: H2BZ-INITIATIVE HESSEN UND HESSEN AGENTUR 4
Das Netzwerk von Kompetenzträgern und die Wirtschafts -
förderungsgesellschaft des Landes Hessen ······················································· 5
Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen ························································· 7
Tatkräftige Hilfe bei der Umsetzung von Wasserstoff- und
Brennstoffzellenprojekten ··················································································· 8
WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT 9
VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL 10
Die Brennstoffzelle – Sechs Typen und ihre Anwendungsgebiete ················· 10
Baldiger Markteintritt in speziellen Märkten ···················································· 16
Brennstoffzellen brauchen Peripherie-Geräte ·················································· 16
Energieträger für Brennstoffzellen ···································································· 17
Die Geschichte der Brennstoffzelle ··································································· 18
WASSERSTOFF: EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT 19
Wasserstoff-Herstellung: Emissionsfreier Energiekreislauf
durch Einsatz erneuerbarer Energien ······························································· 23
Verdichteter Wasserstoff – Speicherung und Transport ·································· 24
Tanken mit Sicherheit ·························································································· 25
Pipelines bringen Wasserstoff zum Verbraucher ············································· 26
Im Wasserstoff liegt die Zukunft ········································································ 27
GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE 28
Regenerative Energien fördern,
CO2-Ausstoß mindern, Umwelt entlasten ························································· 28
FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN ···························································· 30
PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG ····································································· 31
EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN ·················· 35
IMPRESSUM ·············································································································· 36
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Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzel personen, die an Brenn stoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie imKompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
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LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER,
2
der Weg in ein neues Energiezeitalter ist umweltpoli-
tisch die größte Herausforderung, vor der wir stehen.
Darum wollen wir in Deutschland und ganz besonders
in Hessen neue Technologien fördern und Märkte ent-
wickeln, um neue Arbeitsplätze zu schaffen und Wert-
schöpfung zu erzielen. Eine sichere, klima- und
umweltfreundliche Energieversorgung bildet eine
wesentliche Grundlage für wirtschaftliches Handeln
und für eine prosperierende gesellschaftliche Entwick-
lung. Die hessische Energiepolitik hat sich konkrete
Ziele gesetzt: Wir wollen den Endenergieverbrauch
bei Strom und Wärme bis zum Jahr 2050 möglichst
zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien decken.
Dabei spielen Bio- und Windenergie eine maßgeb -
liche Rolle. Aber auch die Solarenergie, die Geother-
mie und Wasserstoff werden ihren Potenzialen ent-
sprechend ausgebaut. Um den CO2-Ausstoß zu ver-
ringern, müssen wir aber auch unsere Technologien
überdenken und offen sein für emissionsfreie Lösun-
gen. Dazu gehört die Wasserstoff- und Brennstoffzel-
lentechnologie. Wasserstoff als Energieträger kann
Fahrzeuge, Heizungs- und Kühlanlagen oder porta-
ble Geräte wie Handys und Laptops mit Energie ver-
sorgen. Brennstoffzellen wandeln diese Energie in
Strom um. Die führenden Autohersteller, in Hessen
zum Beispiel Opel, arbeiten schon seit einigen Jah-
ren an solchen Elektro-Antrieben, Testfahrzeuge sind
international im Einsatz. In mehreren Projekten arbei-
ten in Hessen Techniker und Forscher daran, die
Elektromobilität zu steigern und Fahrzeuge effizient
zu machen. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
technologie hat viele Vorteile, die sie effizient macht.
Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und
Wärme, arbeiten geräuschlos und – mit regenerativ
gewonnenem Wasserstoff betrieben – emissionsfrei.
Wasserstoff kann – mit erneuerbaren Energien herge-
stellt – als klimaneutraler Energiespeicher verwendet
werden. In Industrieparks fällt er als Nebenprodukt
chemischer Prozesse an, und dort, etwa im Industrie-
park Frankfurt-Höchst, wurden bereits Wasserstoff-
Tankstellen für Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik
eingerichtet.
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Ver-
sorgung für Hausheizungsanlagen, stationäre Klein-
kraftwerke, autonome Energieversorgung zum Bei-
spiel von Krankenhäusern durch eigene Brennstoff-
zellen-Blockheizkraftwerke – das ist möglich und wird
derzeit auch in Hessen geplant oder schon getestet.
Speichertechnologien müssen weiter entwickelt wer-
den, etwa um nicht im Netz speicherbare Energie
später zu nutzen oder um regenerative Energien
auch für die Grundlast einsetzen zu können. Viele
Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in Hessen
treiben die Entwicklung der zukunftsträchtigen Was-
serstoff- und Brennstoffzellen-Technik voran, die
Nachfrage steigt und weitere energieintensive Berei-
che, wie die Informations- und Kommunikationstech-
nik, steigen in die Erprobung mit ein. Größere Stück-
zahlen werden Brennstoffzellen preiswerter und am
Markt bestandsfähig machen.
Mit der HA Hessen Agentur GmbH als zentrale Ein-
richtung der Wirtschaftsförderung in Hessen und der
H2BZ-Initiative Hessen e.V. ist das Land für die tech-
nischen Herausforderungen, vor denen die Wasser-
stoff- und Brennstoffzellen-Technologie steht, gut
positioniert.
Die vielen Vorteile und Synergie-Nutzungen von
wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen machen sie
für viele Anwendungen brauchbar. Lassen Sie sich
von dieser Technik inspirieren.
Lucia Puttrich
Hessische Ministerin für Umwelt, Energie,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
EINLEITUNG
H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN
Wie hängen Brennstoffzellentechnologie, Wasser-
stoffgewinnung durch erneuerbare Energien und
die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zusammen,
und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für
Hessen? Welche Arten von Brennstoffzellen es gibt,
welche Rolle Wasserstoff als Sekundärenergieträger
bei der Nutzung von erneuerbaren Energien in
Zukunft spielen kann, was das Thema Elektromobili-
tät mit der Brennstoffzelle zu tun hat, wie und warum
sich das Land Hessen und die Wasserstoff- und
Brennstoffzellen-Initiative Hessen – kurz H2BZ-Initia-
tive Hessen – für die Akteure in diesen Branchen
stark machen, erfahren Sie auf den nächsten Seiten.
Dazu finden Sie wichtige Fakten zum Thema Ener-
gie und Emissionen sowie beispielhafte Projekte
hessischer Akteure.
3
Wenn Sie die Technologie der Zukunft interessiert,
wenn Sie die Aktivitäten der Wasserstoff- und Brenn-
stoffzellen-Initiative Hessen unterstützen möchten,
wenn Sie mit Ihrem Unternehmen oder Ihrer Institu-
tion eine Chance in dieser einzigartig effizienten und
emissionsfreien Form der Energieerzeugung sehen,
werden Sie Mitglied und bringen Sie mit uns die
dringend notwendige Forschung und Entwicklung
sowie die Erprobung in der Praxis voran.
Welche Zielsetzung wir verfolgen, welche Projekte wir
schon realisiert haben und wie Sie der H2BZ-Initiative
Hessen beitreten können – das alles können Sie auf
unserer Internetseite www.H2BZ-Hessen.de nachle-
sen. Oder Sie sprechen uns persönlich an, wir freuen
uns auf Sie!
Dr. Joachim Wolf ist seit Mitte 2009 Vorstandsvorsitzender der H2BZ-Initiative Hessen e.V., dieer bereits in den Anfangsjahren als Mitglied des Beirates unterstützte.
Im Rahmen seiner über zwanzigjährigen Managementtätigkeit in internationalen Positionender Linde Group in München und Wiesbaden brachte er als Executive Director von „HydrogenSolutions“ die Aktivitäten von Linde auf diesem Gebiet zu einem weltweit einmaligen Standard.
Seit Anfang 2009 führt der promovierte Physiker sein eigenes Beratungsunternehmen flow-advice in München und Wiesbaden, das im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt,Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz auf dem Gebiet Wasserstoff- und Brennstoff-zellentechnologie die Projektanbahnung in Hessen vorantreibt.
Dr. Joachim Wolf war an der Entstehung der europäischen „Hydrogen & Fuel Cell TechnologyPlatform“ beteiligt und wirkte im Advisory-Council an der Programmrealisierung mit. Er ist Mit-begründer der European Hydrogen Association, im Deutschen Wasserstoff- und Brennstoff-zellenverband engagiert und war bis 2008 im Vorstand der National Hydrogen Association ofNorth America. Als einer der Impulsgeber und Initiatoren ist er seit Anbeginn auch Mitglieddes Beirates des „Nationalen Innovationsprogramm“ (NIP) der Bundesrepublik Deutschland.
Alina [email protected]
Daniela [email protected]
HA Hessen Agentur GmbHWasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
Dr. Joachim WolfVorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen
Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative
Alexander Bracht
HA Hessen Agentur GmbHBereichsleitung Technologie und [email protected]
Wasserstoff
Wasserdampf
Brennstoffzellen-„Stack“
individuelleBrennstoffzellen
Bipolarplatte(Kathode –)
Bipolarplatte(Anode +)
Elektrolyt (hier: Protonen-Austausch-Membran)
KatalysatorLuft
ElektronenProtonen
H2OH2
O2
IDEAL VERNETZT FÜR HESSEN DIE WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE HESSEN
UND DIE HESSEN AGENTUR
1
Das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
technologie gewinnt angesichts der Klimaschutzvor-
gaben und des wirkungsvollen Einsatzes erneuer -
barer Energien zunehmend an Bedeutung. Mit dieser
Technologie kann schon heute eine effiziente Ener-
gieversorgung in dezentralen stationären Einrichtun-
gen, als portable Technik oder mobil in Fahrzeugen
gewährleistet werden. Erste Anwendungen wurden
in diesen Bereichen bereits umgesetzt. Der CO2-Aus-
stoß kann beim Einsatz von Brennstoffzellen bei-
spielsweise in Fahrzeugen oder Blockheizkraftwerken
auf Null gesenkt werden. Brennstoffzellen in Elektro-
fahrzeugen erhöhen die Reichweite und ermög -
lichen ein einfaches und schnelles „Nachtanken“.
Die HA Hessen Agentur GmbH als Wirtschaftsförde-
rungseinrichtung des Landes Hessen und die H2BZ-
Initiative Hessen e.V. wollen insbesondere Unterneh-
men und Institutionen in Hessen fördern, aber auch
Synergien mit Partnern aus anderen Ländern schaf-
fen. Gemeinsam wollen sie helfen, das technologi-
sche Potenzial von Unternehmen, Institutionen und
Wissenschaft weiter zu entwickeln – und zwar im
Bereich der Brennstoffzelle und der hierfür geeigne-
ten innovativen Energieträger.
4
Energie aus Wasserstoff: Das Prinzip der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen bestehen aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen
Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem
die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern und andererseits Elektronen von der Anode zur Kathode
geleitet werden. Wird als Energieträger Wasserstoff eingesetzt, entsteht als Emission lediglich Wasser bzw. Wasser-
dampf. Den Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen nennt man Stack. (Quelle: Mercedes Benz)
InitiativeHessen
5
Aus Begeisterung für die Technologie und aus Grün-
den des Klimaschutzes haben sich im Jahr 2002 füh-
rende Vertreter der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
technologie aus Unternehmen, Hochschulen und
Institutionen in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Initiative Hessen e.V. (H2BZ-Initiative Hessen) zusam-
mengeschlossen.
Den jeweiligen Entwicklungsbedarf zu erkennen, hat
besondere Bedeutung für neue Technologien. Dazu
gehört das Entwerfen von integrierenden Entwick-
lungs- und Pilotprojekten. Zu diesen selbst gesteck-
ten Zielen und Aufgaben der H2BZ-Initiative gehö-
ren daneben die Wissensverbreitung in Lehre und
Ausbildung sowie die Darstellung der Technologien
in der Öffentlichkeit. Mit ihren Aktivitäten leistet die
Initiative damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung
des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorts Hessen.
Sie ist somit der Mittelpunkt des Kompetenznetzwer-
kes in Hessen.
Die Aktivitäten der Initiative werden seit Beginn von
der Hessischen Landesregierung unterstützt. Mit der
Projektträgerschaft wurde die Hessen Agentur
betraut. Die Hessen Agentur ist die Wirtschafts -
förderungs gesellschaft des Landes Hessen. Sie hat
das Ziel, den Standort Hessen zu stärken und seine
Vorteile national und international bekannt zu
machen. Mit ihren vielfältigen Aktivitäten trägt sie
dazu bei, dass Hessen in zahlreichen Bereichen
seine internationale Spitzenposition behält. Unter-
nehmen profitieren von der breiten Kompetenz und
europaweiten Netz werken in unterschiedlichen tech-
nologischen Bereichen. Die Hessen Agentur knüpft
Kontakte zu Forschung und Entwicklung und hilft,
den Weg von der kreativen Idee zum wirtschaftlichen
Erfolg zu ebnen. Sie nutzt dabei ihre Kompetenzen
in zukunftsträchtigen Anwendungen und Forschun-
gen wie Nano-, Bio-, Umwelt-, Energie- sowie Infor -
ma tions- und Kommunikationstechnologie und
schafft im Rahmen des Technologietransfers Syner-
gien für Unternehmen und Wissenschaft.
Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks.
Quelle: Ticona GmbH
DAS NETZWERK VON KOMPETENZTRÄGERN UND DIE WIRTSCHAFTS -
FÖRDERUNGSGESELLSCHAFT DES LANDES HESSEN
6
Als „Think Tank“ identifiziert und bewertet sie
Zukunftstechnologien und gibt Impulse für die Bil-
dung von Netzwerken und Clustern. Die Hessen
Agentur fördert im Rahmen von Hessen ModellPro-
jekte die Zusammenarbeit von Unternehmen und
Hochschulen.
Standort- und Technologiemarketing im Bereich Was-
serstoff und Brennstoffzelle bedeutet zunächst die
Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissen-
schaft und die Begleitung auf dem Weg in den Markt.
Ihre maßgebliche Herausforderung sehen die Hessen
Agentur und die H2BZ-Initiative in der wirtschaftli-
chen Realisierung und Durchsetzung der Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie bis zu ihrer breiten
Anwendung.
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative wird
bei der Erfüllung ihrer Aufgaben durch die Hessen
Agentur im Auftrag des Hessischen Ministeriums für
Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucher-
schutz begleitet.
Der Beirat der H2BZ-Initiative Hessen
Die Aufgabe des Beirats ist die Beratung und Unter-
stützung des Vorstandes beim Erreichen der Vereins-
ziele. Seine Mitglieder sind führende Vertreter aus
der (Energie-) Wirtschaft und Forschungs einrich -
tungen sowie Wirtschaftsförderer. Sie werden auf die
Dauer von zwei Jahren berufen. Dem Beirat können
auch Nicht-Vereinsmitglieder angehören.
Die H2BZ-Initiative und die Hessen Agentur
a betreiben gemeinsam Technologiemarketing
regional, national und international im Kontext
der Wirtschafts- und Technologieförderung des
Landes Hessen und
a sind zentrale Ansprechpartner und Berater für
Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie in Hessen und
a führen Informationen aus Politik, Wirtschaft,
Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem
Thema zusammen.
a Gemeinsam initiieren sie den Technologie -
transfer auf diesem Technologiefeld, z.B.
durch die gezielte Nutzung der Medien,
Durchführung von Veranstaltungen usw.
a und unterstützen Unternehmen, die sich auf
diesem Gebiet betätigen.
a Die Initiative ist Mitglied des DWV, Deutscher
Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband,
a sowie der Kompetenznetze Deutschland.
Die Kompetenznetze Deutschland des Bundes -
ministeriums für Wirtschaft und Technologie
(BMWi) vereinen die innovativsten und
leistungs stärksten nationalen Kompetenznetze
mit technologischer Ausrichtung.
a Die Hessen Agentur ist Ansprechpartner für die
Förderung im Rahmen von Hessen ModellProjekte
H2BZ-Initiative
HA HessenAgentur GmbHH2BZ-Technologie
H2BZ-Projekt GmbH
Land Hessen (HMUELV)
Mitglieder BeiratVorstand
H2BZ-Initiative
MMitglieder BeiratVorstand
H2BZ-Initiative
HA HA HA HHHessenAAAge tntu G Gr G bHbHmbHH2BZ-Technologie
HA HessenAgentur GmbHH2BZ-Technologie
H2BZ-Proj kekt GmbHH2BZ-Projektanbahnung
Land Hessen (HMUELV)Land Hessen (HMUELV)
Mitglieder BeiratVorstand
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Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institutionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmenwächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie freimacht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die Technik mit Ihren Ideen voran!
Adam Opel AG
Adler, Susanne
Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH
Brennstoffzellen- und Batterie-AllianzBaden-Württemberg (BzA-BW)
DiWiTech-Ingenieurpraxis
ELT Elektrolyse Technik GmbH
emutec | mitte GmbH
EW Medien und Kongresse GmbH
Ewald, Dr. Rolf
Fahr, H.-Michael
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energie -systemtechnik (IWES)
FVI– ForumVision Instandhaltunge.V.
Gaskatel GmbH
GHR Hochdruck-Reduziertechnik GmbH
Grabenhenrich, Dr. Heinz Bernd
HA Hessen Agentur GmbH
HIC Hansen Ingenieur Consult
Hochschule RheinMain
Hüttenberger ProduktionstechnikMartin GmbH
Hydrogen Energy GWL GmbH
IBR Ingenieurbüro Redlich und Partner GmbH
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
Ingenieurbüro Ralph Luh
Ingenieurbüro Wilhelm GmbH
ITM Power GmbH
Kämpny, Hans
Kippels, Anna-Kristin
Kippels, Heinz Alfred
Linde AG
Löhn, Helmut
Materials Valley e.V.
Matthes, Klaus
N2telligence GmbH
Nitschke, Hartmut
NRG Plan GmbH
Pfeiffer, Norbert
Proton Motor Fuel Cell GmbH
Reich, Jürgen
Renewable Energies Consulting Dr.-Ing. Rolf Schicke
Rittal GmbH Co. KG
Roth Industries GmbH & Co. KG
Rübsam, Helmut
Sandstede Technologie Consult.
Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG
Scheppat, Prof. Dr. Birgit
Schleussner, Dr. Dr. med. h.c. Hans
Schmelig, Willi
Schmidt-Walter, Prof. Dr. Heinz
sera ComPress GmbH
SMA Solar Technology AG
Stadtschule Schlüchtern
Süwag Energie AG
Technische Universität Darmstadt • Fachgebiet Erneuerbare Energien• Fachgebiet Thermische Verfahrenstechnik
TGZ GmbH, Kaisersesch
Ticona GmbH
Umicore AG & Co. KG
Umwelt Campus Birkenfeld, Fachhochschule Trier
Winfriedschule Fulda
Wolfram Brandes Management Consulting
Wolf, Joachim
Zarden, Peter
DIE MITGLIEDER DER H2BZ-INITIATIVE HESSEN
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Vielen Unternehmen fehlen die personellen Res-
sourcen zu einer raschen Umsetzung innovativer Pro-
duktideen. Mittelständler haben oft nicht genügend
finanzielle Mittel, um aus Ideen Produkte zu machen
und sie auf den Markt zu bringen. Sie brauchen für
eine Produktentwicklung kompetente und zuverläs-
sige Partner, die sie technologisch begleiten. Seit
Anfang 2010 unterstützt daher die H2BZ Projektan-
bahnung bei der Konzeption, Vorbereitung und teil-
weise auch der Entwicklung von Projekten im
Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentech-
nologie. Sie hält wichtige Informationen über Mög-
lichkeiten der Projektförderung und Kontakte zu ent-
sprechenden Förderstellen bereit und kann helfen,
Projektskizzen anzufertigen und Förderanträge zu
schreiben. Die H2BZ Projektanbahnung wird vom
Hessischen Ministerium für Umwelt und Energie
über die Hessen Agentur finanziert und kann daher
Hessischen Unternehmen und Einrichtungen eine
kostenlose Erstberatung bieten.
TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON
WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN
Die H2BZ Projektanbahnung
Die H2BZ Projektanbahnung unterstützt in allen
Phasen der Projektrealisierung wie der Definition
des Projektes und der notwendigen Leistungen, der
Kalkulation der personellen und finanziellen Res-
sourcen. Sie hilft bei der Akquisition von Projektpart-
nern, dem Recherchieren der möglichen Förderpro-
gramme, dem Erstellen und Vorstellen einer Projekt-
skizze, der Organisation und Durchführung von
Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projekter-
gebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer
Markteinführung.
Mit der H2BZ Projektanbahnung wurde ein
Ansprechpartner geschaffen, der bei der prakti-
schen Umsetzung von Anwendungen für Wasserstoff
und Brennstoffzellen in Hessen unterstützt.
Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden,
kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge,
dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie
Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeiche-
rung.
Kontakt über die Geschäftsstelle
der H2BZ-Initiative Hessen
www.H2BZ-Hessen.de
Unterstützung und Initiierung von Projekten
PEM-Brennstoffzellen-
Stacks bestehen aus
einzelnen Zellen, in
denen die Elektroden
durch eine Membran
getrennt werden.
Quelle: BASF
9
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
vereint Emissionsfreiheit und funktionale Vorteile in
der Energieerzeugung. Als Vorteile sind zu nennen:
a höchst effiziente Technik bei gleichzeitiger
Erzeugung von Strom und Wärme, Nutzung
von bis zu über 90 Prozent der im Energieträger
enthaltenen Energie
(zum Vergleich: Verbrennungsmotoren in
Blockheizkraftwerken bis über 80 Prozent)
a wichtige Komponente für unabhängige Systeme
zur dezentralen Energieversorgung
a sehr leise im Betrieb
a verursacht keine Vibrationen
a wartungsarm, da ohne bewegliche Teile
a flexibel einsetzbar in stationären (zum Beispiel
Blockheizkraftwerken), mobilen (Fahrzeuge) oder
portablen (Laptop, Handy etc.) Anwendungen
a gewährleistet Elektromobilität mit großen
Reichweiten und kurzen Betankungszeiten
a keine Emissionen außer Wasserdampf beim
Betrieb mit reinem Wasserstoff, kein Kohlen-
stoffdioxid, keine Stickoxide, keine Feinstäube
a klimaneutral, wenn bei der Erzeugung Strom
aus erneuerbaren Energien verwendet oder der
Wasserstoff aus Biomasse gewonnen wurde
a Wasserstoff verursacht keine Wasserbelastung
a Speichermedium für regenerative Energien
Die Energiewandlung für die vielfältigen Anwendun-
gen im Verkehr, der Versorgung der Haushalte und
der Wirtschaftsunternehmen ist heute in den meis-
ten Fällen noch mit erheblicher Belastung der
Umwelt verbunden. Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der
Verbrennung fossiler Brennstoffe – noch immer die
häufigste Form der Energiewandlung – verstärkt den
Treibhauseffekt und ist ein globales Problem. Lärm
und Abgase sorgen für erhebliche Konflikte, und
toxische Abwässer belasten die Umwelt.
WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT
2
Quelle: Linde
Quelle: vege – Fotolia.com
Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik
VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL3
10
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energie-
wandler, bestehend aus einer Vielzahl von Elektro-
denpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch
einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind.
Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Pro-
zess ab, bei dem einerseits die positiven Ionen von
der Anode zur Kathode wandern, andererseits
werden Elektronen über einen elektrischen Leiter
von der Anode zur Kathode geleitet. Außen wird
elektrische Leistung abgenommen – dieses Prinzip
haben sie gemeinsam mit Autobatterien bzw. Akku-
mulatoren. Der Elektrolyt besteht aus einer ionen-
leitenden Flüssigkeit oder einer Membran, einer
Karbonatschmelze, einer Säure, Lauge oder aus
einer ionenleitenden Keramik.
Eine Brennstoffzelle kann z. B. die im Wasserstoff
gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln.
Sie arbeitet verschleißfrei und lautlos. Bei einer
Batterie erschöpft sich die Leistung mit dem Verzehr
der Anode. Die Brennstoffzelle jedoch liefert unbe-
grenzt Strom, solange gasförmiger Brennstoff (Was-
serstoff) und Luft (Sauerstoff) von außen zugeführt
werden. Beide Stoffe reagieren zu Wasser, das als
Nebenprodukt anfällt. Brennstoffzellen liefern elek-
trischen Strom – elektrische Energie – und zusätzlich
nutzbare Wärme – thermische Energie.
Die Entwicklung der Brennstoffzelle ist noch nicht
abgeschlossen: Sie ist ein viel versprechender Ener-
giewandler, der gegenwärtig meist in Einzelexem-
plaren oder Kleinstserien angefertigt wird und des-
halb noch zu teuer in der Herstellung ist. In den
nächsten Jahren ist intensive Arbeit zur Verbesse-
rung der Lebensdauer, der Peripheriegeräte und zur
Senkung der Herstellungskosten erforderlich – zum
Beispiel durch die Optimierung der Produktionsver-
fahren. Dann kann die Brennstoffzelle mit den heuti-
gen Verbrennungsmotoren und Hausheizungen
konkurrieren.
Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in
der Art der verwendeten Elektrolyte unterscheiden.
Je höher die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle
ist, desto unempfindlicher sind die Katalysatoren
gegen Vergiftung und desto schneller läuft die elek-
trochemische Reaktion ab.
Im so genannten Stack, dem Stapel von Brennstoff-
zellen, kann jede technisch sinnvolle Spannung
durch Hintereinanderschalten von einzelnen Brenn-
stoffzellen erreicht werden.
DIE BRENNSTOFFZELLE – SECHS TYPEN UND IHRE ANWENDUNGS GEBIETE
Wasserdampf
Kühlung
Kathode (+)
Membran-Elektroden-Einheit
O2 (Luft)
Elektronen
Protonen
Elektroden mitKatalysatorschichtElektrolyt (PEM-Membran)
O2
H2
H2 (Wasserstoff)
Anode (-)
Funktionsprinzip einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle
11
Die alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Die AFC ist die klassische Brennstoffzelle. Kalilauge
dient als flüssiger Elektrolyt. Die Betriebstemperatur
liegt bei ca. 80°C; sie ist also eine Niedertempera-
tur-Brennstoffzelle und braucht zur Reaktion einen
Metall-Katalysator. Sie wird mit reinem Wasserstoff
betrieben. Wenn Luft als Sauerstoffträger benutzt
wird, muss ein Luftwäscher zur CO2-Entfernung vor-
geschaltet werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist
die Strom- und Wärme-Erzeugung für autarke Ver-
braucher, bei denen die Brennstoff-Effizienz ent-
scheidend ist: zum Beispiel in der Raumfahrt, in mili-
tärischen Verwendungen wie U-Booten und bei Ein-
sätzen in entlegenen Gebieten (Wetterstationen).
Brennstoffzelle: Typen und Merkmale
Bezeichnung Betriebs-temperatur
Elektrolyt Kraft- /Brennstoff
Anwendung
1 AFC Alkalische Brennstoffzelle 80°C Kalilauge Wasserstoff mobil (Raumfahrt)
2a LT-PEMFC
Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
80°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär,spez. Anwendungen
2b HT-PEMFC
Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
100–200°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär
3 DMFC Direktmethanol-Brennsoffzelle 70–90°C Festpolymer Methanol spez. Anwendungen
4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle 200°C Phosphorsäure Erdgas stationär
5 MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle 650°C Natrium- und Kaliumkarbonat
Erdgas, Biogas
stationär
6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle 1000°C Zirkonoxid Erdgas, Biogas
stationär
12
Die PEMFC wird auch Protonenaustauschmembran-
Brennstoffzelle (Proton Ex change Membran Fuel
Cell) ge nannt. Im Gegen satz zum alkalischen System
besteht hier der Elektrolyt aus einer ionenleitenden
Kunststoff-Folie, die durch Beschichtung gleichzeitig
auch Katalysatorträger, Diffusionsschicht, Elektro-
denträger und Separationswand zwischen den rea-
gierenden Gasen ist. Sie arbeitet zwischen 50 und
80°C (Niedertemperatur), eventuell bei einigen Bar
Druck (die Druckdifferenz zwischen den beiden
Menbranseiten ist relativ klein) und erreicht hohe
Leistungsdichten.
Die PEMFC eignet sich durch die modulare Bau-
weise, niedriges Leistungsgewicht und relativ gute
Kaltstart-Eigenschaften besonders für mobile An -
wendungen. Nachteilig sind der Regelungs bedarf
der Feuchtigkeit im Reaktionsraum und die Empfind-
lichkeit gegen CO im Anodengas.
Mit PEM-Brennstoffzellen sind die in der Öffentlich-
keit viel beachteten mobilen Anwendungen in PKW
(DaimIer, Opel, Volkswagen, Ford, Toyota etc.) und
in Bussen (DaimIer, MAN, Vossloh, Auwärter, Neo-
plan etc.) ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in
Demonstrationsprogrammen eingesetzt werden, um
ihre Alltagstauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittel-
klassefahrzeuge mit dieser Technologie erreichen
mit einer Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite
von ca. 400 bis 600 Kilometern, annehmbare Höchst-
geschwindigkeiten und haben ein gutes Beschleu-
nigungsvermögen. Durch kurze Betankungszeiten
gewährleistet die Technologie zudem eine alltags-
taugliche Elektromobilität.
Die PEMFC gilt als das KFZ-Antriebsaggregat im
Brennstoffzellenbereich. Hier gab es in den letzten
Jahren bedeutende Fortschritte in der Entwicklung.
Allerdings ist weitere Entwicklungsarbeit nötig, um
je nach Anwendung die Lebensdauer der Membran
weiter zu erhöhen und die notwendigen niedrigen
Fertigungskosten zu erreichen.
Neben den in Fahrzeugen und zur unterbrechungs-
freien Stromversorgung (USV) eingesetzten Nieder-
temperatur-PEM-Brennstoffzellen existieren darüber
hinaus auch Hochtemperatur-PEM-Zellen. Diese kön-
nen durch eine besonders widerstandsfähige PEM-
Folie bei einem Temperaturniveau von 200°C betrie-
ben werden. Damit ist die CO/CO2-Toleranz erhöht
worden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer
und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)
Concept BlueZERO – Elektromobilität für jeden Bedarf
Modulares Konzeptfür Elektromobilität:
• Batterie-elektrischer Antrieb(BlueZERO E-CELL)
• Brennstoffzellenantrieb(BlueZERO F-CELL)
• Batterie-eletrischer Antriebmit Range Extender(BlueZERO E-CELL PLUS)
Stadtverkehr Überlandverkehr Langstreckenverkehr
E-CELL
F-CELL
E-CELL PLUS
Quelle: Daimler
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Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der
heute in tragbaren Kunststoffkartuschen oder Tank-
patronen kompakt gespeichert angeboten wird. Die
DMFC arbeitet mit einem Kunststoff-Folien-Elektro-
lyten wie die PEMFC. Die Betriebstemperatur liegt
beim Betrieb mit flüssigem Methanol bei ca. 80°C;
der elektrische Wirkungsgrad liegt auf Zellebene bei
30 bis 40 Prozent, Systeme im Kleinleistungsbereich
erreichen 25 Prozent Gesamtwirkungsgrad vom Treib-
stoff Methanol zum Gleichstrom. Der Bedarf an Edel-
metall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch,
weshalb sich der kommerzielle Einsatz bisher nur im
Kleinleistungsbereich unterhalb 1kW durchgesetzt
hat.
DMFC-Produkte sind bereits seit einigen Jahren
erhältlich und werden z.B. unter dem Markennamen
EFOY für die Bordstromversorgung von Wohnmobi-
len vermarktet. DMFC-Systeme werden aber auch
im industriellen Einsatz als Energiequelle für den
Betrieb von stationären Sensoren und Kommuni-
kationseinrichtungen an Standorten ohne Netzan-
bindung eingesetzt. Weitere Anwendungen sind
portable und mobile Systeme, die Energie für einen
wochen- oder monatelangen autarken Einsatz mit-
führen. Bis heute wurden bereits mehr als 23.000
DMFC-Systeme verkauft und arbeiten als zuverläs-
sige Energiequelle beim Kunden.
Im Labor wird ein Aus-
waschtest durchgeführt,
durch den die chemische
Stabilität einer Membran
bestimmt werden kann:
Diese gibt Auskunft über
die Lebensdauer der
Membran-Elektroden-
Einheit (MEA). Die MEA
ist das Herzstück der
Brennstoffzelle. Hier
finden die chemischen
Reaktionen statt, die aus
dem Wasserstoff – also
dem Brennstoff – die
Energie herausholen.
Quelle: BASF Fuel Cell
Quelle: SFC Energy AG
14
Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
Die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle,
die bei ca. 200°C arbeitet und einen elektrischen
Wirkungsgrad von 55 Prozent hat. Ihre Elektroden
sind Folien aus Kohlefasern, die den fein verteilten
Platinkatalysator tragen. Der Elektrolyt, Phosphor-
säure, ist als Gel auf einem Geflecht aus teflonge-
bundenem Siliziumkarbid fixiert. Die Nachteile der
PAFC sind ihre geringe Stromdichte und die lange
Anfahrzeit.
Neben dem eigentlichen Stack bilden der Reformer,
die Gasreinigung zur Beseitigung des CO2, der Wär-
metauscher und der elektrische Wechselrichter die
Systemkomponenten für eine mit Erdgas betriebene
PAFC. Dieser Brennstoffzellen-Typ ist technisch rela-
tiv weit entwickelt und als dezentrales Blockheizkraft-
werk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung internatio-
nal im Einsatz.
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Mit 650°C Betriebstemperatur ist die MCFC eine
Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Abwärme
zur Dampferzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) aus-
gekoppelt wird bzw. zur Kälteerzeugung durch
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genutzt werden kann.
Wegen des hohen Temperatur-Niveaus muss kein
Reformer vorgeschaltet und auch stark kohlenstoff-
haltige Brennstoffe können verstromt werden. Der
Elektrolyt ist ein schmelzflüssiges Alkalikarbonat, das
hoch korrosiv ist und hohe Anforderungen an die
eingesetzten Werkstoffe stellt.
Auch dieser Brennstoffzellen-Typ wird aus modula-
ren Stackpaketen zu größeren Leistungsklassen auf-
gebaut und kann mit Erdgas, Grubengas, Biogas
sowie mit Klär- oder Deponiegas gespeist werden.
Die Reinigung der Brenngase kann zentral innerhalb
der Gesamtanlage erfolgen. Bereits bei kleineren
Leistungen (ab 200 kWeI) können im KWK-Betrieb
Strom und Dampf erzeugt werden, was diesen
Brennstoffzellentyp zur dezentralen Energieversor-
gung für Kommunen und Industriebetriebe interes-
sant macht. Etwa zwanzig MCFC-BHKW-Anlagen
sind inzwischen in unterschiedlichen Anwendungen
erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene Gase aus Ver-
gärungs- und Kläranlagen.
Ein Werk des Tognum-
Tochterunternehmens
MTU Friedrichshafen
GmbH wurde im Jahr 2008
mit Wärme und Strom aus
einem Brennstoffzellen-
Kraftwerk versorgt.
Quelle: MTU onsite energy
15
Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)
Die SOFC funktioniert bei Temperaturen bis 1.000°C
und zeichnet sich durch einen festen Elektrolyten
(Zirkoniumoxid) aus, der bei hohen Temperaturen
Ionen leitet und die Reaktionsgase voneinander
trennt. Die SOFC wird in Platten- oder Röhrenform
gestaltet. Ihre Anwendung liegt im Bau von Block-
heizkraftwerken.
Die Zukunftskonzeption für große SOFCs wird in der
Kombination mit nachgeschalteter Dampfturbine
gesehen. Für kleine SOFCs bietet die Kombination
mit einer Mikrogasturbine gute Chancen. Brennstoff-
zellen dieses Typs werden zum Beispiel als Heiz -
geräte entwickelt.
Eine viel versprechende Form der SOFC ist die
Konzeption der Firma Hexis im Leistungsbereich
1 bis 10 kWel mit integriertem Heißwasserboiler für
den Einsatz als kompakte Strom- und Heizzentrale in
Ein- und Mehrfamilienhäusern, gespeist aus dem
Erdgasnetz.
Aufgrund des möglichen hohen elektrischen Wir-
kungsgrades (ca. 60Prozent) werden diese Systeme
auch als Stromerzeuger eingesetzt wie beispiels-
weise der „BlueGEN“ der Firma Ceramic Fuel Cells,
der von dem hessischen Unternehmen Sanevo ver-
trieben wird.
Deutsche Energieversorger haben das wirtschaft -
liche und umweltschonende Potenzial erkannt, das
die hocheffiziente Nutzung der Primärenergie Erd-
gas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in Verbindung
mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet, allerdings ist diese
Form der Energieerzeugung nicht CO2-neutral.
Diese Brennstoffzellen-Anwendung ist bereits relativ
marktnah und könnte in der Serienproduktion die für
einen breiten Markterfolg notwendige Kosten -
degression erfahren.
Am Leuchttisch werden aus
einer Membran und zwei
Elektroden die sogenannten
Membran-Elektroden-Einheiten
(MEAs) zusammengesetzt.
Quelle: BASF
Eine interessante Anwendung von Brennstoffzellen,
die einen baldigen Markteintritt verspricht, sind
Mini-Brennstoffzellen in PEM-Technik mit Brennstoff-
speichern für Methanol oder reinen Wasserstoff: Sie
sind ideale Stromquellen für elektronische Geräte
wie Laptops, Camcorder, MP3-Player oder Handys.
Batterien und Akkus ermöglichen oft nur relativ
kurze Betriebszeiten, bilden einen hohen Kostenfak-
tor und sind problematisch in der Entsorgung. Der
Ladeprozess von Akkus braucht erhebliche Zeit und
einen Strom anschluss. Mini-Brennstoffzellen mit
PEM-Technik, gespeist aus Wasserstoffspeichern
(Hydrid- oder Druckspeicher) oder mit DMCF-Tech-
nik aus Methanolpatronen, erlauben vielfach deut-
lich längere Betriebszeiten und schnellen Speicher-
wechsel und damit fast unbegrenzte Gerätenutzung
auch an Orten ohne Stromnetz.
Vergleichbare Vorteile bieten kleine PEM-Brennstoff-
zellen als Notstromaggregate im Bereich der unter-
brechungsfreien Stromversorgung (USV) für Rechen-
zentren oder in der Telekommunikation zum Beispiel
zur Versorgung von Funkmasten, wo sie lange Über-
brückungszeiten gewährleisten. Im Gegensatz zu
motorbetriebenen Aggregaten arbeiten sie ge -
räuschlos und vibrationsfrei. Dies ist besonders auf
Schiffen oder beim Camping interessant.
BALDIGER MARKTEINTRITT IN SPEZIELLEN MÄRKTEN
Der Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine
ist noch kein betriebsfähiger Motor, ebenso wenig
ist ein Brennstoffzellen-Stack ein einsatzfähiger
Energieerzeuger. Je nach System besteht ein
betriebsbereites Brennstoffzellenaggregat neben
dem Zellenstapel (Stack) aus der Steuerung, gege-
benenfalls notwendigen Nebengeräten zur Herstel-
lung von Wasserstoff oder Reinigung anderer Gase
und ggf. einem Wechselrichter. Letzterer macht aus
dem Gleichstrom der Brennstoffzelle erst Wechsel-
strom, sofern dieser in ein Netz eingespeist werden
soll. Außerdem gehören zum System Brennstoffzelle
noch Mess- und Regelgeräte, Brennstoffspeicher
und andere Hilfsaggregate.
Alle Teilkomponenten des Systems müssen auf den
Brennstoff, die Betriebstemperatur, den Elektrolyten,
die abzuführenden Wärmemengen sowie die mecha-
nischen und elektrischen Anforderungen des
Gesamtaggregats abgestimmt sein und vergleich-
bare Dauerstandfestigkeiten besitzen.
Die Kosten der Peripherie-Geräte sind mitbestim-
mend für die Gesamtkosten des betriebsbereiten
Aggregats – wie beim Verbrennungsmotor – und in
der Summe meist höher als die des reinen Stacks
(bzw. Zylinderblocks). Auch bei diesen Nebenaggre-
gaten besteht noch Entwicklungs-, Anpassungs- und
Erprobungsbedarf.
BRENNSTOFFZELLEN BRAUCHEN PERIPHERIE-GERÄTE
16
PEM-Brennstoffzellenstack
Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik
17
In den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (alkali-
sche, Polymer-Elektrolyt-Membran- und phosphor-
saure Brennstoffzelle) kommt nur reiner Wasserstoff
zum Einsatz. Wo dieser nicht zur Verfügung steht,
lässt er sich mit Hilfe von Reformern zum Beispiel aus
Erdgas erzeugen.
Die gegenwärtigen Feldversuche von Brennstoff -
zellen in Fahrzeugen werden überwiegend mit
Hochdruck-Wasserstoff durch geführt.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen können auch Koh-
lenwasserstoffe mit gewissen Verunreinigungen, wie
sie zum Beispiel in Klärgasen vorkommen, verbren-
nen. Sie werden mit Erdgas, LPG (Liquified Petro-
leum Gas) oder Biogas gespeist. Für den Einsatz von
Methanol, das in Erdgas- und in Erdölförderländern
in großen Mengen und zu niedrigen Preisen anfällt,
ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle be stimmt, die
sich besonders für den mobilen Einsatz eignen
würde. Logistisch ist Methanol ähnlich handhabbar
wie Benzin.
Der Preis der Brennstoffe wird im Wesentlichen
durch die vorgelagerten Energiewandlungsschritte /
Verarbeitungsstufen (fuel chain) bestimmt. Erdgas,
besonders für stationäre Anwendungen, ist der
Brennstoff mit der bereits heute breitesten Verfüg-
barkeit durch das dichte, bestehende Verteilungs-
netz.
ENERGIETRÄGER FÜR BRENNSTOFFZELLEN: WASSERSTOFF, ERDGAS,
LIQUIFIED PETROLEUM GAS, KOHLENWASSERSTOFFE, METHANOL
traiLH2 – eine mobile Betankungseinheit für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff
Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und
Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im
Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
18
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde von Christian
Friedrich Schönbein, einem Schweizer Professor an
der Universität Basel, gefunden. Schönbein,
der in engem Kontakt mit Sir William
Grove stand, erkannte schon 1839,
dass chemische Energie direkt in
elektrische umgewandelt werden
kann. Aufbauend auf dieser Ent-
deckung erzeugte Grove in einem
galvanischen Bad durch Zusam-
menführung von Wasserstoff und
Sauerstoff in „kalter Verbrennung“,
das heißt ohne Flammenbildung,
elektrischen Strom. Die gefürchtete
Knallgasexplosion hat nicht stattge-
funden.
Die Wissenschaftler Ludwig Mond und Carl Langer
gaben dem Apparat 1889 den Namen „Fuel Cell“,
also „Brennstoffzelle“. Aber nicht die Brennstoffzelle,
deren günstigen elektrischen Wirkungsgrad man
schon früh erkannte, sondern der elektrische Gene-
rator, der auf dem 1866 von Siemens gefundenen
„Elektrodynamischen Prinzip“ beruhte, leitete in der
zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Zeitalter der
großtechnischen Stromerzeugung ein.
In Deutschland griff Prof. Eduard Justi 1951 an der
TU Braunschweig das Thema Brennstoffzelle auf und
legte mit Prof. August Winsel die Grundlagen der
alkalischen Brennstoffzelle. Winsel setzte ab 1961
die Arbeiten in der VARTA-Forschung in Kelkheim/
Hessen fort, wo eine Reihe praktischer Anwendun-
gen der alkalischen Brennstoffzelle (z. B. Gabelstap-
lerantriebe) verwirklicht wurde, ehe das Arbeitsge-
biet an die Firma Siemens abgegeben wurde.
Für die Raumfahrt entdeckte man vor 40 Jahren die
Brennstoffzelle und ihre Vorzüge wieder: eine leichte
und effiziente Strom- und Wärmequelle, deren „Abfall“
nur Wasser ist, das man den Astronauten sogar als
Trinkwasser gab. Im Gemini-Projekt der NASA sorgte
eine PEM-Zelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle) für
Strom und Wärme, während in den Apollo-Raumkap-
seln und den Mondfähren AFCs (Alkalische Brenn-
stoffzellen) diese Aufgaben erfüllten.
Aber erst Ereignisse in den siebziger Jahren sorgten
für ein umfassenderes Interesse: die Ölkrisen und das
neue Umweltbewusstsein. In den vergangenen 30 Jah -
ren ist deswegen in Europa, in den USA und Kanada
sowie in Japan von Wissenschaft und Wirtschaft mit
staatlicher Förderung viel in die Forschung und Ent-
wicklung der Brennstoffzelle investiert worden.
In Hessen stand die Wiege der industriellen Wasser-
stoff-Erzeugung und -Anwendung: 1896 nahm der
Chemiker Dr. Ignaz Stroof in der Chemischen Fabrik
Griesheim (bei Frankfurt) die erste Chloralkali-Elek-
trolyse der Welt in Betrieb, die Chlor, Natronlauge
und Wasserstoff in großen Mengen produzieren
konnte. Eine Einsatzmöglichkeit war Wasserstoff als
Füllstoff für die damals neuen Zeppeline: Man füllte
ihn mit 150 bar in Stahlflaschen und brachte ihn zu
den Startplätzen.
Die erste industrielle Anwendung des neuen Ener-
gieträgers Wasserstoff entwickelte 1903 der Inge-
nieur Adolf Wiss im Griesheimer Werk mit seinem
Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zum Schweißen. Dies
war der Beginn einer neuen Technologie zum Ver-
binden und Schneiden von Metallen, der Autogen-
technik, die die Metallverarbeitung revolutionierte.
Die Wiege der Wasserstoff-Erzeugung stand in Hessen
DIE GESCHICHTE DER BRENNSTOFFZELLE
Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie
19
Wasserstoff ist eine so genannte Sekundär-Energie.
Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man Energie auf-
wenden. Einmal mittels erneuerbarer Energien,
Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt, ist seine Anwen-
dungsbreite, seine Umwandlungsfähigkeit und seine
Umweltverträglichkeit allen anderen Energieträgern
überlegen. Er ist als Brennstoff für Brennstoffzellen zur
schadstofffreien Erzeugung von Elektrizität und
Wärme geeignet – und das ist das große Potenzial der
Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie.
Wasserstoff findet sich in nahezu unbegrenzten
Mengen auf der Erde, allerdings stets chemisch mit
anderen Elementen verbunden. In der überwiegen-
den und nutzbaren Form liegt er gebunden an
Sauerstoff in Form von Wasser vor.
Unter Standard-Bedingungen von Druck und Tem-
peratur ist Wasserstoff das leichteste Gas. Er ist
geruchlos und unsichtbar. Im Gemisch mit Luft ist er
bei Konzentrationen von 4 bis 75 Volumenprozent
zündfähig, aber nicht selbstentzündlich. Wasserstoff
ist ungiftig, nicht korrosiv und nicht Wasser gefähr-
dend.
Ein Kilogramm Wasserstoff enthält soviel Energie wie
2,5 Kilogramm Benzin. Er ist allerdings spezifisch
leicht und beansprucht deshalb bei gleichem Ener-
gieinhalt ein viermal so großes Speichervolumen.
Damit weist er immer noch eine deutlich höhere Ener-
giedichte auf als alle bekannten Batteriesysteme.
WASSERSTOFF4
EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT UND VOLLER ENERGIE
Quelle: dreamstime
20
Wasserstoff wird unter Einsatz elektrischer Energie
aus Wasser (Elektrolyse) oder aus Kohlenwasserstof-
fen hergestellt. Die Herstellung aus Kohlenwasser-
stoffen geschieht nach bewährten Verfahren: Mittels
Dampfreformierung oder durch partielle Oxidation
von Kohlenwasserstoffen produziert man den größ-
ten Teil des weltweit erzeugten Wasserstoffs und
verbraucht ihn am Ort der Erzeugung in anderen
industriellen Prozessen. Bisher sind nur etwa fünf
Prozent des Wasserstoffs Handelsware. Der größte
Teil wird für die Hydrierung von Kohlenwasserstof-
fen, für die Härtung von Fetten oder für die Vergü-
tung von Metallen eingesetzt. Die zukunftsfähige
und emissionsfreie Form bietet die Gewinnung von
Wasserstoff aus Biogas oder im Elektrolyse-Verfah-
ren. Die Voraussetzung ist, dass der benötigte Strom
aus erneuerbaren Quellen kommt.
Wenn Strom erzeugt ist, muss er verbraucht werden.
Nicht verbrauchter Strom kann mittels Elektrolyse in
Wasserstoff umgesetzt werden. Hier liegt einer der
großen Vorteile der Wasserstoff-Technologie: Strom-
spitzen bei zum Teil stark fluktuierenden Energie-
wandlungssystemen wie Wind- oder Solarenergie
können zur Wasserstoffproduktion und -speicherung
eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann in der
Brennstoffzelle bei Bedarf in Strom und Wärme
umgewandelt werden. Wenn Wasserstoff seine Ener-
gie in der Hausheizung, im Automotor oder im Klein-
kraftwerk abgegeben hat, fällt er aufgrund der Reak-
tion mit Sauerstoff als reines Wasser beim Verbrau-
cher an.
Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind mit speziellen Tanks ausgerüstet, die wie ein Benzintank an Zapfsäulen gefüllt werden können.
Quelle: Adam Opel AG
Gleichspannungswandler
Steuergerät
Leistungsbatterie
Druckwasserstoff-Speichertank
WasserstoffzuführungElektrischer Antriebsmotor
Leistungsverteilung
Kühlmittelbehälter
Wasserstoff-Einfüllstutzen
Kühler
Brennstoffzellen-Stack
Luftfilter
21
Weltweit werden pro Jahr ca. 520 Mrd. Kubikmeter
Wasserstoff erzeugt. Die Chemie- und Erdöl-Indus-
trie sind die größten Erzeuger und Verbraucher von
Wasserstoff.
Der Anteil von Wasserstoff, der für Energie-Erzeu-
gung und -Umwandlung eingesetzt werden wird,
wird im 21. Jahrhundert voraussichtlich stark steigen.
Seine Einsatzmöglichkeiten steigen mit dem techno-
logischen Fortschritt auf allen Gebieten. Der Preis
von Wasserstoff als Energieträger hängt ab vom
Angebot der kohlenstoffhaltigen Primärenergien
bzw. von den Kosten für Strom. Ein wichtiger Faktor
zur Kostenreduzierung ist die Anlagengröße.
Reinhold Wurster von der Ludwig-Bölkow-System-
technik GmbH und Mitglied des Beirats der Wasser-
stoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen sieht im
Jahr 2015 das Förder- und Produktionsmaximum
fossiler und nuklearer Brennstoffe erreicht. Er stellt
folgende Thesen auf (siehe folgende Grafik):
a Es wird einen Übergang von einem
brennstoffbasierten zu einem strombasierten
Energiesystem geben.
a Der Verkehrssektor wird Strom als „haupt -
sächliche Primärenergiequelle“ nutzen.
a Die künftige Infrastruktur wird sich ändern:
Strom wird fossile Brennstoffe langfristig
ersetzen müssen.
a Stromspeicherung wird unentbehrlich – Wasser-
stoff wird als wichtiges Stromspeichermedium
fungieren und ein starker Partner für erneuer-
bare Energien und den Verkehrssektor werden.
1940
5.000
10.000
15.000
Ges
amte
Pri
mär
ener
gie
vers
org
ung
[Mto
e]
Reg
ener
ativ
e En
erg
ien
20.000
heute
Erdöl
Solarthermische Kraftwerke (SOT)
Solarthermische Kollektoren
Photovoltaik
Windkraft
WasserkraftGeothermie
Biomasse90%
8%8%2%
76%
15%
8%
17%
sche 19%
64%
50% Brennstoff
31% Strom
19% Wärme/Brennstoff
Erdgas
Kohle
Uran
Regenerativer Strom Regenerative Wärme/Brennstoff Fossile/nukleare Brennstoffe
Kraftstoffbasiertes Energiesystem
Kraftstoff zu Strom (niedriger Wirkungsgrad)
Strombasiertes Energiesystem
Strom zu Kraftstoff (niedriger Wirkungsgrad)
2030 2050
1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
2%
Fördermaximum fossil / nuklear
etwa 2015
m Übergangs-phase
Quelle: Reinhold
Wurster, Ludwig-
Bölkow-System-
technik GmbH
22
Die ökonomische und ökologische Entwicklung in
Industrienationen muss dahin gehen, immer mehr
Primärenergie durch die Sekundärenergien Elektri-
zität und Wasserstoff zu ersetzen, weil ihre Umwand-
lung in andere Energieformen, ihr Transport und ihre
Anwendung beim Verbraucher mit überlegenem
Wirkungsgrad und ohne Bildung von umweltschäd-
lichen Stoffen vor sich geht. Der Vorteil der Verwen-
dung erneuerbarer Energien liegt neben der Emis-
sionsfreiheit in der Möglichkeit der dezentralen und
von fossilen Rohstoffen unabhängigen Versorgung.
Quelle: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
Photovoltaik
Belegung= 33%
Belegung= 1%
Belegung= 100%
Belegung= 100%
1ha Wasserstoff~733 GJ/ha
Wasserstoff~363 GJ/ha
Wasserstoff~93 GJ/ha
VM Fahrzeug~493.000 km/ha
VM Fahrzeug~245.000 km/ha
VM Fahrzeug ~62.000 km/ha
Biomethan, ~80.000 km/ha
BtL, ~51.000 km/haBiodiesel, ~33.000 km/ha; Bioethanol, ~35.000 km/ha
ha=Hektar, VM=Verbrennungsmotor, BZ=Brennstoffzelle Referenzfahrzeug: VW Golf [Concawe/EUCAR/JRC 2006], Ø Fahrleistung=12.500 km/Jahr
BZ Fahrzeug~875.000 km/ha
BZ Fahrzeug~434.000 km/ha
BZ Fahrzeug~110.000 km/ha
Windenergie
Biomasse
Biodiesel~48 GJ/ha
Biomethan~112 GJ/ha
Biomasse
Primär-energie
Belegte
Landfläche
Kraftstoff-produktionpro Hektar
Flächenbedarf für erneuerbare Kraftstoffe: Nutzung eines Hektars Land für die Kraftstoffproduktion
23
Quelle: Linde
Wenn man an zwei Platin-Elektroden im leitenden
Wasserbad elektrische Spannung anlegt, fließt elek-
trischer Strom und spaltet das Wasser. Wasserstoff
und Sauerstoff scheiden sich gasförmig an den Elek-
troden ab. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse.
Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bietet
die Möglichkeit eines emissionsfreien Wasserstoff-
Energiekreislaufs, wenn der Strom für die Elektrolyse
aus einer regenerativen Energiequelle wie beispiels-
weise Sonnen- oder Windenergie oder aus Wasser-
kraft stammt.
Zudem bietet sich zur Produktion von Wasserstoff
die Vergasung von Biomasse an. Dazu kann man
außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder
Biomüll aus Haushalten auch organische Industrie-
abfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche
Schwierigkeiten bereitet. Das Zusammenspiel von
konventionellen und regenerativen, von zentral und
dezentral erzeugten Energien, kann durch koordinie-
rende Energie-Management-Systeme gesteuert wer-
den, die durch elektronische Netze optimiert wer-
den. Das Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt dafür
komplexes Know-how.
WASSERSTOFF-HERSTELLUNG: EMISSIONSFREIER ENERGIEKREISLAUF
DURCH EINSATZ ERNEUERBARER ENERGIEN
Die Dampfreformierung ist das am weite-
sten verbreitete Verfahren zur Erzeugung
von wasserstoffreichem Synthesegas aus
leichten Kohlenwasserstoffen. Die Einsatz-
stoffe Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha
werden mit Wasserdampf in katalytischen
Rohrreaktoren zu Synthesegas mit hohem
Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozess-
wärme und Rauchgaswärme werden zur
Dampferzeugung genutzt. Quelle: Linde
24
Ein großer Vorzug des Energieträgers Wasserstoff
gegenüber der Elektrizität ist seine Speicherfähig-
keit; allerdings muss man das Gas zu diesem Zweck
verdichten (bis auf 700 bar) oder verflüssigen. In bei-
den Fällen ist dazu zusätzliche Energie aufzuwenden.
Der verdichtete Wasserstoff gilt als ideal für mobile
Anwendungen, d. h. für Kraftfahrzeuge mit Brenn-
stoffzellen-Antrieb. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen
wird Wasserstoff in speziell konstruierten superiso-
lierten Tanks, Hochdruck-Speichern aus Stahl oder in
Composite-Behältern gespeichert – entweder als
komprimiertes Gas (CGH2) oder verflüssigt (LH2) bei
einer Temperatur von –253°C.
Industriegase-Unternehmen fahren verflüssigten
Wasserstoff in großen Tankwagen – ähnlich wie Ben-
zin oder Diesel – sicher von der Verflüssigungsan-
lage zum Verbraucher.
Wasserstoff-Tankstellen ermöglichen Mobilität
Erste Wasserstofftankstellen sind in Frankfurt (mehr
dazu auf Seite 26), Hamburg, Berlin, am Münchener
Flughafen und Stuttgart in Betrieb genommen wor-
den, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasser-
stoff zu versorgen. In den Ballungsräumen der che-
mischen Industrie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt
der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der zunehmend zur
Betankung von Fahrzeugen zur Verfügung steht. Um
die Mobilität von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brenn-
stoffzellen-Antrieb zu gewährleisten, muss dieses
Netzwerk weiter ausgebaut werden. Die Tankstellen
können entweder mit Tankwagen oder über Pipe-
lines mit Wasserstoff-Nachschub versorgt werden.
VERDICHTETER WASSERSTOFF – SPEICHERUNG UND TRANSPORT
Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Quelle: Zero Regio
Quelle: Linde
25
TANKEN MIT SICHERHEIT
Die Industrie, die seit Jahrzehnten mit gasförmigem
und flüssigem Wasserstoff umgeht, hat aus dieser
Erfahrung viele der erforderlichen Vorschriften und
Praktiken entwickelt. Millionen Menschen nutzen
tagtäglich gasförmige und flüssige Brennstoffe im
Auto und im Haushalt, weil sie die Handhabung
gelernt haben und die Industrie ihnen die entspre-
chenden, sicheren Geräte bietet.
Das Betanken der Wasserstoff-Tanks von Brennstoffzellen-
Fahrzeugen ist mit speziellen Einfüllstutzen ähnlich einfach
wie das Tanken von Erdgas. Quelle: Linde
Für die Sicherheit jedes Kraft-
stoffs spielen seine physikali-
schen und che mischen Eigen-
schaften eine entscheidende
Rolle. Im direkten Vergleich mit
Benzin zeigt sich, dass Wasser-
stoff keinesfalls gefährlicher ist:
Er verflüchtigt sich sehr schnell,
verbrennt anstatt zu explodie-
ren, ent zündet sich nicht so
leicht an heißen Oberflächen
und ist im Gegensatz zu
Benzin ungiftig für Mensch
und Umwelt.
Quelle: TÜV Süddeutschland
Benzin Wasserstoff Schlussfolgerung
Dichte im Verhältnis zu Luft
3,2– 4 0,09 Wasserstoff verflüchtigt sichschnell, Benzin bleibt am Boden
Zündbereich 0,6– 8 % 4– 75 % Wasserstoff kann in einemgroßen Bereich gezündet werden
Detonationsgrenze 1,1 % 18 % Wasserstoff verbrennt, bevor er explodiert
Zündenergie 0,24 mJ 0,02 mJ Ein Funken reicht aus, um Wasser-stoff oder Benzin zu zünden
Zündtemperatur 220– 280 °C 585 °CBenzin kann sich an heißen Oberflächen entzünden
Flamme strahlt heißwenig Wärme-
strahlungVerbrennungsgefahr neben Wasserstoff-Flamme gering
Gesundheits -gefährdung
giftig ungiftigWasserstoff stellt keine Gefahr für Böden und Gewässer dar
26
Das Massentransportmittel für Wasserstoff ist die
Rohrleitung: Seit Jahrzehnten betreibt die chemische
Industrie in NRW ein sicheres und leistungsfähiges
Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von ca. 240
Kilometern Länge, das jährlich ca. 250 Mio. Kubikme-
ter transportiert. In Marl, am Nordrand des Ruhrge-
biets, wird das größte Abfüll-Zentrum für Wasserstoff
in ganz Europa betrieben. Im Industriepark Höchst ist
für das Projekt Zero Regio (siehe Seite 32) eine hoch-
moderne Wasserstoffleitung installiert worden. Die
hinsichtlich Druck und Länge einzigartige Hoch-
druck-Pipeline hat eine Gesamtlänge von 1,7 Kilome-
tern und führt einen Druck von bis zu 1100 bar.
Eine etablierte Wasserstoff-Infrastruktur ist das Erd-
gasnetz, das viele Millionen Verbraucher in Deutsch-
land erreicht. Erdgas besteht zu über 90 Prozent aus
Methan, dem H2-reichsten Kohlenwasserstoff, aus
dem wiederum Wasserstoff gewonnen werden kann.
Technisch ist es relativ einfach, an jedem Verbrauchs-
punkt mit einem so genannten Reformer aus ver-
schiedenen Kohlenwasserstoffen reinen Wasserstoff
für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Damit steht Was-
serstoff prinzipiell bereits heute für die Versorgung
vieler privater Haushalte in Deutschland zur Verfü-
gung.
Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion
entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozes-
sen der chemischen Industrie und wird auch von die-
ser selbst in Folgeprozessen wieder verbraucht, vor
allen Dingen in der Petrochemie. Wenn er im indus-
triellen Maßstab gezielt erzeugt wird, geschieht das
zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erd-
gas. Dieses Verfahren stützt sich allerdings auf einen
fossilen und nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff
und ist mit erheblichen CO2 -Emissionen verbunden.
Quelle: Linde
Bei Infraserv Höchst in Frankfurt am Main fallen 30
Millionen Kubikmeter Wasserstoff pro Jahr aus der
Chlorproduktion an. Seit der Inbetriebnahme der
Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrie-
parks Höchst im November 2006 waren Brennstoff-
zellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge von Daimler
für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – einige
davon auf dem Gelände des Frankfurter Flughafens
und im Industriepark Höchst. Im Rahmen des von der
Europäischen Union geförderten und von Infraserv
Höchst koordinierten Projektes Zero Regio lieferten
diese Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte über All-
tagsbetrieb, Betankung und Infrastruktur.
PIPELINES BRINGEN WASSERSTOFF ZUM VERBRAUCHER
27
GermanHy, eine Studie zur Frage „Woher kommt der
Wasserstoff in Deutschland bis 2050?“ im Auftrag des
Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadt -
entwicklung (BMVBS) und in Zusammenarbeit mit
der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brenn-
stoffzellentechnologie (NOW), zeigt drei Szenarien
auf und kommt zu folgenden Ergebnissen:
a Deutschland verbraucht rund 30 Prozent seiner
Primärenergie im Verkehrssektor. Wasserstoff
kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesent -
licher Energieträger werden und hier etwa
20 bis 40 Prozent des Energiebedarfs im Ver-
kehrssektor abdecken. Wasserstoff und Brenn-
stoffzellen können im Straßenverkehr bis 2050
eine große Bedeutung erlangen. Sie werden
zentraler Bestandteil eines diversifizierten
Angebotes (Kraftstoffe und Antriebskonzepte).
a Bei drastischem Rückgang fossiler Energieim-
porte müssen verstärkt erneuerbare Energien
eingesetzt, erhebliche Effizienzsteigerungen
erreicht und energiesparendes Verhalten
umgesetzt werden.
a Je nach Rahmenbedingungen kann regenerativ
erzeugter Wasserstoff bis 2050 bis zu 70 Prozent
aller PKW/Lieferfahrzeuge versorgen – auch bei
starker fossiler Ressourcenverknappung.
a Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primär-
energiemix verwendet. Dabei können in der
Übergangsphase regional verfügbarer Wasser-
stoff aus Industrieanlagen (Nebenprodukt), Erd-
gasreformierung vor Ort und Biomasseverga-
sung eine Rolle spielen. Langfristig überwiegen
regenerative Energieträger wie z. B. Windenergie.
a Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren
die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (An -
fangsphase mit geringen Mengen) sowie die
Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab
2030, kostengünstiger bei großen Mengen). Vor-
Ort-Produktion ergänzt regional das Angebot.
Nähere Informationen unter www.bmvbs.de und
www.germanhy.de.
IM WASSERSTOFF LIEGT DIE ZUKUNFT
„Moderat“
0 %
Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion
Herkunft von Wasserstoff in Deutschland
20 % 40 % 60 % 80 % 100 %
„Klima“
„Ressourcen-Verknappung“
100 PJ
2050
2030
2050
2030
2050
2030
480 PJ
100 PJ
470 PJ
90 PJ
440 PJ
Kohle ohne CCS
Kohle mit CCS
Erdgas
Wind
Biomasse
Nebenprodukt
Quelle: GermanHy
GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE
5
28
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
hat gegenüber anderen Energiewandlungsmetho-
den enorme Vorteile und darum ein großes Poten-
zial. Emissionsfreier und hocheffizienter Betrieb von
Fahrzeugen, Kraftwerken und Heizungsanlagen ist
die Herausforderung, der sich Hersteller und Ver-
braucher stellen müssen. Neben Lärm-, Feinstaub-
und anderen toxischen Belastungen ist die Klimaver-
änderung durch CO2 das größte Problem, das
umweltpolitisch angegangen werden muss. Aus der
Knappheit der fossilen Ressourcen, dem wachsen-
den Kohlendioxid-Ausstoß und dem prognostizier-
ten bedrohlichen Klimawandel resultieren nicht nur
Handlungsempfehlungen für die Umweltpolitik, son-
dern auch Herausforderungen an die Forschung und
Entwicklung in Wissenschaft und Wirtschaft. Energie-
Technologien, die ohne CO2-Emissionen hohe Effi-
zienz und Verfügbarkeit gewährleisten, sind gefragt:
zum Beispiel die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
technologie.
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, den
Ausstoß von Kohlendioxid bis zum Jahr 2020 um
mindestens 20 Prozent gegenüber 1990 zu senken.
Studien der Internationalen Energie Agentur, einer
autonomen Institution der Organisation für wirt-
schaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung
(OECD), zeigen, dass die Energieeffizienz bis 2050
potenziell zur größten einzelnen Emissionssenkungs-
quelle im Energiesektor werden kann. Dies hätte
sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile.
REGENERATIVE ENERGIEN FÖRDERN, CO2-AUSSTOSS MINDERN,
UMWELT ENTLASTEN
„Das Weltenergiesystem steht an einem Scheide weg. Die derzeitigen weltweiten Trends von
Energieversorgung und -verbrauch sind eindeutig nicht zukunftsfähig, in ökologischer
ebenso wie in wirtschaftlicher und sozialer Hinsicht.“ Internationale Energie Agentur, 2008
29
Nicholas Stern, Leiter des volkswirtschaftlichen
Dienstes der britischen Regierung, kommt in seinem
Report von 2006 zu ähnlichen Schlüssen in Bezug
auf die notwendige Reduzierung von CO2-Emissio-
nen: „Viele der Technologien zum Erreichen dieser
Reduzierungen existieren zwar bereits, aber die Prio-
rität besteht jetzt darin, ihre Kosten zu reduzieren, so
dass sie mit Alternativen zu fossilen Brennstoffen
unter einem Kohlenstoff-Preisrichtlinienprogramm
wettbewerbsfähig sind.“
Die Projektgruppe Energiepolitisches Programm
(PEPP) des Bundeswirtschaftsministeriums hat
„10 langfristige Handlungslinien für die künftige
Energieversorgung in Deutschland“ herausgegeben
und stellt fest: „Weitere innovative Ansätze zur Erhö-
hung der Umwandlungseffizienz sind Techniken zur
Stromerzeugung aus Abwärme, hocheffiziente
Wandlungstechniken wie Brennstoffzellen sowie
Hybridkonzepte, die mehrere Techniken oder Brenn-
stoffe komplementär einsetzen. Diese Techniken
sind teilweise bereits technisch ausgereift, einige
nähern sich der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, größ-
tenteils besteht jedoch noch Forschungsbedarf. (...)
Verschiedene Arten von Brennstoffzellen werden in
Versuchsanlagen getestet und lassen elektrische
Wirkungsgrade zwischen 40 und 60 Prozent erwar-
ten.“ (www.bmwi.de)
Energiebedingte Emissionen von Kohlendioxid (Deutschland 2006) in Millionen Tonnen (Mt) nach Sektoren
799 Gesamt
2 Andere energiebedingte Emissionen
6 Land- und Forstwirtschaft, Fischerei
149 Straßenverkehr
12 Übriger Verkehr
117 Haushalte
46 Kleinverbraucher
101 Verarbeitendes Gewerbe
366 Energiewirtschaft
Quelle: BMWi/UBA,
Stand 08.07.2008
30
HESSEN MODELLPROJEKTE
Das Land Hessen fördert die Durchführung von
besonders innovativen Forschungs- und Entwick-
lungsvorhaben im Technologiebereich – auch auf
dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellen.
Als Projektträger fungiert die Hessen Agentur. Bezu-
schusst werden im Rahmen von Hessen ModellPro-
jekte kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die
gemeinsam mit weiteren Partnern (Unternehmen,
Hochschulen, Forschungseinrichtungen) ange-
wandte Forschungs- und Entwicklungsprojekte rea-
lisieren.
Zur Förderung dieser Vorhaben stehen derzeit drei
Maßnahmen zur Verfügung: LOEWE KMU-Verbund-
vorhaben (Förderlinie 3), finanziert aus Landesmit-
teln, sowie KMU-Modell- und -Pilotprojekte und als
erweiterte Maßnahme modellhafte Forschungs- und
Entwicklungsprojekte mit Schwerpunkt im Automo-
tivebereich, die beide aus Mitteln des Europäischen
Fonds für regionale Entwicklung und aus Mitteln des
Landes Hessen finanziert werden.
Weitere Informationen unter
www.innovationsfoerderung-hessen.de
HESSISCHES ENERGIEGESETZ
Im Rahmen des Hessischen Energiegesetzes vom
November 2008 können Projekte unterstützt wer-
den, die Entwicklung, Demonstration und Anwen-
dung stationärer Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
systeme zum Inhalt haben. Ziel ist es, die rationelle
und umweltverträgliche Energienutzung in Hessen
voranzutreiben und einen Beitrag zu einer gesamt-
wirtschaftlich wettbewerbsfähigen und sicheren
Erzeugung und Verwendung von Energie zu leisten.
Gefördert werden können marktnahe Vorhaben zur
Nutzung neuer Energietechnologien (Marktvorbe-
reitungsförderung) mit den Schwerpunkten energie-
effiziente Gebäudetechnologien, rationelle Elektrizi-
tätsanwendung, rationelle Energienutzung sowie
Nutzung erneuerbarer Energien.
FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN
EUROPÄISCHE UNION:Investition in Ihre ZukunftEuropäischer Fonds fürregionale Entwicklung
31
FÖRDERPROGRAMME STELLEN GELDER IN AUSSICHT
Die Bundesregierung hat ein Förderprogramm auf-
gelegt, das die Weiterentwicklung und Einführung
dieser Technologien unterstützen will: durch die
gezielte Förderung im Rahmen des von den Bundes-
ministerien für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
(BMVBS), Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bil-
dung und Forschung (BMBF) sowie Umwelt, Natur-
schutz und Reaktorsicherheit (BMU) gemeinsam for-
mulierten „Nationalen Innovationsprogramm Was-
serstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP).
„Im Rahmen des NIP sind für die kommenden zehn
Jahre zusätzliche 500 Millionen Euro Förderung [Stand
2006] dieser Technologie vorgesehen. Bei Fortschrei-
bung der seit Jahren erfolgreich laufenden FuE-För-
derung des Bundes für Brennstoffzellen und Wasser-
stoff – vor allem durch das BMWi – stehen unter
Berücksichtigung der komplementären Mittel der
Industrie und Anwender im Zeitraum 2007 bis 2016
bis zu 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung. Hinzu kom-
men noch Mittel des BMBF zur Grundlagenforschung
und institutionellen Förderung der Großforschungs-
einrichtungen auf diesem Gebiet.“ (www.bmvbs.de)
Im Februar 2008 wurde die Nationale Organisation
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW)
gegründet, um die internationale Wettbewerbs -
fähigkeit im Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzel-
lentechnologie auszubauen. NOW koordiniert die
Aktivitäten im Auftrag der verschiedenen Bundesmi-
nisterien und stellt Kontakt zu internationalen Insti-
tutionen und der Industrie her (www.now-gmbh.de).
Weitere Informationen zur Förderung bzw. Förder be -
ratung finden Sie auch unter www.H2BZ-Hessen.de.
PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG
NULL-EMISSION UND ELEKTROMOBILITÄT IN RHEIN-MAIN,
KLIMANEUTRALE IKT
Beispielhafte Projekte für den Einsatz der Wasser-
stoff- und Brennstoffzellentechnologie, an denen
hessische Akteure beteiligt sind, zeigen, wie im
Zusammenspiel unterschiedlicher Unternehmen und
Institutionen eine zukunftsweisende Energieerzeu-
gung ohne Emissionen aussehen kann. Die Projekte
nehmen sich der globalen Verantwortung für die
Verminderung von Kohlendioxid an: Clean Energy
Partnership (CEP) ist ein europäisches Demonstra tions -
projekt in der Wasserstoffmobilität und ein Leucht-
turmprojekt des Nationalen Innovationsprogramms
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP)
im Verkehrsbereich, welches insbesondere auch die
Ergebnisse des Projektes Zero Regio mit dem Ziel
der Entwicklung emissionsfreier Transportsysteme
für den alltäg lichen Einsatz in europäischen Bal-
lungsräumen aufgreift. Im RheinMain BLUE Cluster
planen mehrere Unternehmen, Brennstoffzellen in
der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT)
einzusetzen. In einem weiteren Projekt setzt die Fra-
port AG seit Herbst 2011 ein Brennstoffzellensystem
der Firma Rittal zur partiellen Absicherung der
Stromversorgung ein.
32
Hessens Beitritt zum größten Demonstrationsprojekt
in der Wasserstoffmobilität in Europa, der Clean
Energy Partnership (CEP), markierte im Herbst 2011
den Einstieg in die flächendeckende Nutzung von
Elektromobilität. Ziel ist der kontinuierliche Betrieb
leistungsfähiger Wasserstofffahrzeuge und deren
schnelle und sichere Betankung; ebenso die sau-
bere und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff,
um den Wasserstofftransport und die Speicherung
von Wasserstoff im flüssigen und im gasförmigen
Zustand zu gewährleisten. So gelingt es, sowohl für
private als auch gewerbliche Nutzer auch in Zukunft
noch mobil zu sein – und das ohne jegliche Emissio-
nen. Insbesondere in den von Feinstaub belasteten
Innenstädten können emissionsfreie Fahrzeuge mit
Brennstoffzellentechnologie echte Erleichterung
bringen – ganz gleich, ob es sich dabei um Busse,
Lieferfahrzeuge oder um privat bzw. geschäftlich
genutzte PKW handelt. Einige hessische Unterneh-
men haben bereits Wasserstoff-Fahrzeuge in ihre
Dienstwagen-Flotte aufgenommen, um die Weiter-
entwicklung der grünen Mobilität zu unterstützen.
Seit 2008 wird die CEP durch das Bundesverkehrs-
ministerium (BMVBS) gefördert.
www.cleanenergypartnership.de
Das Land Hessen tritt im Herbst 2011 dem größten euro-
päischen Demonstrationsprojekt in der Wasserstoffmobili-
tät, der Clean Energy Partnership (CEP), bei. Auf dem Bild
zu sehen sind: im Vordergrund Lucia Puttrich, Ministerin
HMUELV; Karl-Friedrich Stracke, CEO der Adam Opel AG;
dahinter v.r.n.l. Dirk Weigand, Daimler AG; Patrick Schnell,
CEP; Dr. Veit Steinle, BMVBS; Dr. Joachim Wolf, H2BZ-
Initiative; Christoph Rust, Honda Motor Europe.
Quelle: Wildhirt
Zero Regio – 16 Partner aus vier Ländern
Zero Regio steht für „Region mit Null Emissionen“ und
war ein von der Europäischen Kommission geförder-
tes integriertes Projekt innerhalb des 6. Forschungs-
rahmenprogramms. Unter der Leitung von Infraserv
Höchst engagierten sich 16 europäische Partner aus
vier Ländern für den Aufbau einer Wasserstoffinfra-
struktur für die Versorgung von Brennstoffzellen-PKW
im Rhein-Main-Gebiet sowie in der Lombardei. Ziel
war es, emissionsfreie Transportsysteme für den all-
täglichen Einsatz in europäischen Ballungsräumen zu
entwickeln und zu erproben. Im Rahmen des Projekts
lieferten die Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte
über den Alltagsbetrieb und die Betankung von Elek-
tromobilen. Ende 2006 wurde die erste öffentliche
Wasserstofftankstelle Hessens in Frankfurt-Höchst
eröffnet. Sie dient insbesondere der Versorgung von
Brennstoffzellentestfahrzeugen, die auf dem Frankfur-
ter Flughafengelände im Einsatz sind und mit deren
Clean Energy Partnership (CEP) – emissionsfreie Mobilität
33
Seit der Inbetriebnahme der Wasserstoff-Tankstelle am
Südrand des Industrieparks Höchst im November 2006
waren vier Brennstoffzellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge
von Daimler für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest –
drei davon auf dem Fraport-Gelände und eins im Industrie-
park Höchst. Quelle: Zero Regio
Hilfe die Alltagstauglichkeit dieser Technologie über-
prüft werden soll. Langfristiges Ziel von Zero Regio war
es, die Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energien
zu reduzieren, die Schadstoffemissionen zu verringern
und durch Technologiefortschritte die breitere Anwen-
dung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnolo-
gie in Europa voranzutreiben.
Insgesamt investierten die Projektbeteiligten, darunter
Unternehmen wie AGIP, Daimler, Linde, die italieni-
schen Energieunternehmen Eni, Sapio und CRF sowie
die Region Lombardei, rund 13,5 Millionen Euro in
Zero Regio. Hinzu kamen 7,5 Millionen Euro Förder-
mittel der Europäischen Union.
www.zeroregio.de
RheinMain BLUE Cluster
Informations- und Kommunikationstechniken (IKT) ver-
ursachen nach aktuellen Schätzungen etwa 2Prozent
der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen und 10Pro-
zent des Stromverbrauchs in Industrieländern, Ten-
denz steigend. Das Rhein-Main-Gebiet hat eine der
größten Dichten an Rechenzentren. Wichtig für die
IKT-Anlagen ist die unterbrechungsfreie Stromversor-
gung. Brennstoffzellen können nicht nur ähnlich einem
Notstromaggregat zur Absicherung gegen Stromaus-
fälle dienen, sondern sie lassen sich auch als eine per-
manente stationäre Energieversorgung von Rechen-
zentren effektiv nutzen. Mit der Wasserstoff- und
Brennstoffzellentechnologie soll im Rahmen des
RheinMain BLUE Cluster in mehreren Projekten in
Zukunft die Versorgung sichergestellt werden. Von
Vorteil bei solchen stationären Anlagen sind der hohe
elektrische und thermische Wirkungsgrad durch
Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die
Geräuscharmut und Vibrationsfreiheit und der geringe
Wartungsaufwand der Brennstoffzellentechnik. Zudem
bieten sie eine Unabhängigkeit vom öffentlichen
Stromnetz und somit eine erhöhte Redundanz. Brenn-
stoffzellen bieten nicht nur eine saubere und sichere
Energieversorgung zur effektiven Klimatisierung, son-
dern sie erhöhen zudem die Sicherheit, denn sie kön-
nen mit der sauerstoffarmen Abluft auch einen Beitrag
zum präventiven Brandschutz leisten.
Im Rahmen des RheinMain BLUE Cluster haben das
Hessische Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt-
schaft und Verbraucherschutz, die HA Hessen Agen-
tur GmbH, das Beratungsunternehmen Arthur D.
Little sowie die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Initiative Hessen eine Plattform für Anwender wie
Betreiber von Rechenzentren und Energieversorger
sowie Unternehmen aus dem Bereich der Wasser-
stoff- und Brennstoffzellentechnologie geschaffen.
Anfang Oktober 2011 wurde am Airport Frankfurt
erstmals an einem deutschen Flughafen ein Brenn-
stoffzellensystem zur Absicherung eines Stromnet-
zes in Betrieb genommen. Betreiber ist die Fraport
AG, die Eigentümerin des Frankfurter Flughafens. In
einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit einem
5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die unterbre-
chungsfreie Stromversorgung rund um einen Park-
platz ab.
Das Brennstoffzellensystem kann mittels des Einsat-
zes von Wasserstoffflaschen als Energieträger (ins-
gesamt 200 Liter Wasserstoffvorrat) Unterbrechun-
gen im Versorgungsnetz sekundenschnell absichern
und einen Stromausfall von bis zu zehn Stunden
überbrücken.
Die Brennstoffzellentechnologie von Rittal weist
einen Gesamtwirkungsgrad von rund 50 Prozent auf.
Durch die unmittelbare Wandlung von chemischer
Energie in elektrische Energie ist der Prozess im Ver-
gleich zu Generatorenlösungen zudem emissionsfrei
und sehr geräuscharm. Die Fraport AG plant die
Brennstoffzellentechnik zukünftig auch in weiteren
Anwendungsbereichen des Airports einzusetzen.
www.rittal.com, www.fraport.de
34
Brennstoffzelle von Rittal sichert partielle Stromversorgung am Frankfurter Flughafen
In einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit
einem 5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die
unterbrechungsfreie Stromversorgung rund um
einen Parkplatz ab.
Quelle: Rittal GmbH & Co. KG
35
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen,
Wasserstoff in städtischen Versorgungsleitungen für
Hausheizungsanlagen, autonome Energieversor-
gung durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraft-
werke – das sind keine fernen Visionen, sondern
könnte bald Realität sein. Die Voraussetzungen
hierfür sind, dass die aktuellen Feldtests erfolgreich
verlaufen und die erforderlichen Mittel in die Tech-
nologie investiert werden.
Die Europäische Union strebt an, bis 2020 fünf Pro-
zent der Fahrzeugkraftstoffe durch Wasserstoff zu
ersetzen, Automobilhersteller rechnen mit Marktein-
führungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoff-
zellen-Fahrzeugen ab 2015.
Das Fortschreiten der Entwicklung von Bestandteilen
der Technologie wie Membran, Elektrolyseur, Was-
serstoffspeicher und Bestandteilen der Peripherie
verspricht die notwendige Kostenreduktion der Pro-
duktion und damit auch die ökonomische Marktreife
in wenigen Jahren. Die Vision von dynamischer Elek-
tromobilität und gleichzeitiger Unabhängigkeit von
fossilen Brennstoffen kann Wirklichkeit werden.
EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN
36
IMPRESSUMRedaktion:
Alexander Bracht
Alina Stahlschmidt
Daniela Jardot
HA Hessen Agentur GmbH
Wassertoff- und Brennstoffzellentechnologie
c/o Geschäftsstelle H2BZ-Initiative Hessen
Konradinerallee 9
65189 Wiesbaden
Dr. Justus Brans
Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Die Mitglieder des Vorstandes der
H2BZ-Initiative Hessen, insbesondere:
Dr. Joachim Wolf
Prof. Dr. Birgit Scheppat
Anna-Kristin Kippels
Eva Frantz, redaktionsbüro frantz, Göttingen
© Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Mainzer Straße 80
65189 Wiesbaden
www.hmuelv.hessen.de
Die Abbildungen wurden freundlicherweise
von den Mitgliedern und Projektpartnern der
H2BZ-Initiative Hessen zur Verfügung gestellt.
Vervielfältigung und Nachdruck – auch aus-
zugsweise – nur nach vorheriger schriftlicher
Genehmigung.
Titelabbildungen:
istockphoto.com (Hintergrund)
vege, fotolia.com (Solarzellen)
Linde (Wasserstofftanks)
Erstauflage: November 2009
Zweite leicht veränderte Auflage: April 2012
Dritte leicht veränderte Auflage: April 2013
Gestaltung: Theißen-Design, Lohfelden
Druck: Druckerei ausDRUCK, Kassel
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr
für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die
Vollständigkeit der Angaben sowie für die
Beachtung privater Rechte Dritter.