CEP Clean Energy Partnership Wasserstoff H2 Brennstoffzellenfahrzeug Technologie
CEP Clean Energy Partnership Wasserstoff H2 Brennstoffzellenfahrzeug Technologie

H2 TECHNOLOGIE

I PRODUKTION

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  • Wasserstoff

     

     

    Wasserstoff ist das leichteste und häufigste Element des Universums. Er ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas und steht mit dem Atomgewicht 1 am Anfang unseres Periodensystems. Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron. Der gebräuchliche Wasserstoff kommt stets in Form von zweiatomigen Molekülen vor (H2).

    Wasserstoff kommt auf der Erde ausschließlich in chemisch gebundener Form, z. B. als Wasser (H2O), in den verschiedensten Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Biomasse usw.) oder in anderen organischen Verbindungen vor. Er kann aber unter Einsatz von Energie freigesetzt werden und damit zu einem Speicher für Energie werden - ein Energieträger.

     

     

  • Reformierungs­verfahren

     

     

    Der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs entstehet als Neben- oder Kuppelprodukt in Prozessen der Chemieindustrie und wird auch von dieser in anderen Prozessen wieder verbraucht. Vor allem in der Petrochemie. Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch Reformierung aus Erdgas erzeugt. Bei der Erdgasreformierung wird zunächst ein Synthesegas (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Restkohlenwasserstoffe) produziert. Kohlenmonoxid kann über eine Konvertierungsreaktion mit Wasser weiter zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. Wasserstoff wird aus dem Gasgemisch durch Absorption, Adsorption oder mittels Membranen abgetrennt. 

     

     

  • Elektrolyseverfahren

     

     

    Wasserelektrolyse macht eine emissionsfreie Erzeugung von Wasserstoff möglich, wenn der zur Elektrolyse benötigte Strom aus regenerativen Quellen stammt. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mit einer Flüssigkeit versetzt, die den Ionentransport verbessert. Unter Einsatz von Strom wird Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische umgewandelt und in Wasserstoff gespeichert. Umgekehrt funktioniert die Brennstoffzelle. Sie wandelt die in Wasserstoff gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie um –emissionsfrei. Im Rahmen der CEP wird die Vor-Ort-Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse seit Projektbeginn erfolgreich erprobt. Zum Erklärfilm ::

     

     

  • Wasserstoff aus ­ Biomasse

     

     

    In Verbindung mit erneuerbaren Primärenergien bietet sich auch die Vergasung von Biomasse an. Zur Biomasse kann man außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll aus Haushalten im erweiterten Sinne auch organische Industrieabfälle zählen. Am Standort Leuna (Sachsen-Anhalt) wird im Rahmen der CEP eine Pilotanlage betrieben, in der Wasserstoff aus Rohglycerin erzeugt wird. Das Glycerin entsteht als Nebenprodukt bei der Herstellung von Biodiesel aus Pflanzenölen. Der Wasserstoff wird mittels des sogenannten Pyroreforming-Prozesses produziert, bei dem das entsalzte Rohglycerin unter hohem Druck und bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius aufgespalten wird. Dabei entsteht wasserstoffreiches Gas, das gereinigt und verflüssigt wird. Dieses Verfahren bietet bereits heute ein Treibhausgasreduktionspotential von über 50 Prozent im Vergleich zur konventionellen Wasserstofferzeugung aus Erdgas.

     

     

  • H2 TECHNOLOGIE

     

     

     

     

     

II INFRASTRUKTUR

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  • TRANSPORT

     

     

     

    Wird Wasserstoff nicht am Ort seiner Nutzung produziert, bedarf er eines Transports an seinen Bestimmungsort. In Abhängigkeit der vorhandenen Infrastruktur und der zu transportierenden Mengen wird Wasserstoff entweder in Gasleitungen (Pipelines) oder per Tankwagen transportiert. Die Verwendung von Pipelines eignet sich besonders zur Versorgung großer Verbraucher mit gasförmigem Wasserstoff, für die sich der wirtschaftliche Aufwand einer Pipeline lohnt. Der Transport per Tankwagen erfolgt für kleinere Mengen Druckwasserstoff (200 bar) oder für Flüssigwasserstoff (LH2) bei -253° C. In einem LH2-Trailer können ca. 3500 kg Wasserstoff transportiert werden. In der CEP wird der Wasserstoff entweder direkt an der Tankstelle erzeugt oder mit Tankwagen als Druckwasserstoff oder Flüssigwasserstoff angeliefert.

     

     

     

     

  • Betankungsprozess

     

     

    Für die Bereitstellung von Wasserstoff an Tankstellen werden unterschiedliche Technologien im Rahmen der CEP im Alltagsbetrieb erprobt. In Abhängigkeit des Fahrzeugtyps besteht die Möglichkeit, gasförmigen Wasserstoff in den Druckstufen 350 bar und 700 bar zu tanken. Dabei einigten sich Automobilhersteller und einige Gas- sowie Anlagenhersteller auf einen weltweit gültigen Standard zur Betankung von PKW, dem sogenannten SAE J2601 Standard.

    In der CEP werden von den Industriepartnern gemeinsame technische Standards festgelegt. So gibt es einen weltweiten Standard für die Befüllkupplung wie auch für den gesamten Betankungsprozess. Damit der Wasserstoff getankt werden kann, bedarf er einer Vorkühlung. Der Wasserstoff muss bei der 700-bar-Schnellbetankung auf eine Temperatur zwischen -33 °C bis -40 °C gebracht werden.

     

     

  • Tanken & Bezahlung

     

     

    Fahrer von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen müssen sich beim Tanken kaum umstellen, da die Technologie der herkömmlichen Betankung sehr ähnlich ist. Man verbindet die Befüllkupplung mit dem an bekannter Stelle liegenden Tankstutzen am Auto und startet den Betankungsvorgang durch Knopfdruck. Einmal Volltanken dauert etwa drei bis fünf Minuten. Beim Betankungsvorgang mit 700 bar Druckwasserstoff können über eine Infrarotschnittstelle der Befüllkupplung Daten zu Temperatur und Druck vom Fahrzeug an die Tankstelle übertragen werden. Die Datenübertragung stellt sicher, dass das Fahrzeug sicher und randvoll befüllt wird und die volle Reichweite nutzen kann. Um den Kunden die Bezahlung zu erleichtern, wurde an den CEP Tankstellen ein einheitliches Bezahl- und Kartensystem eingerichtet.

     

     

  • Druckspeicher

     

     

    Da Wasserstoff nur eine geringe Dichte besitzt, wären zur Speicherung relevanter Mengen unter Normaldruck  und Umgebungstemperatur riesige Tanks notwendig. Daher wird Wasserstoff im Vorfeld seiner Speicherung verdichtet oder verflüssigt. Beim Wechsel vom unverdichteten gasförmigen in den flüssigen Zustand wird das Volumen um 99,9 Prozent reduziert. Für Wasserstofftankstellen mit gasförmiger Speicherung gibt es drei verschiedene Druckgasstufen: Niederdruckspeicher, Mitteldruckspeicher und Hochdruckspeicher.

    Niederdruckspeicher können bis zu 200 kg gasförmigen Wasserstoff bei 45 bar speichern. Es handelt sich um hohe, runde Gasbehälter, sogenannte „Zigarren“.

    Mitteldruckspeicher werden oftmals in Form von Flaschenbündeln zur Verfügung gestellt. Es handelt sich um Standardflaschen für Drücke zwischen 200 und 500 bar.


    Bei Hochdruckspeichern handelt sich um Sonderanfertigungen, die auf bis zu 1000 bar Druck ausgelegt sind. Meist bestehen diese Druckspeichertanks aus mehreren Schichten: Einer Innenhülle aus möglichst korrosionsbeständigem Metall oder Kompositmaterialien (überwiegend Legierungen aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff) sowie einer äußeren stabilitätsgebenden Schicht aus Glasfasern, Kohlefasern oder einer Kombination aus beiden Fasern. Diese werden in mehreren Schichten um die Innenhülle gewickelt und jeweils mit Harzen verklebt.

    Einige Tankstellen setzen auch auf die Bevorratung in Flüssigwasserstofftanks.

     

     

  • Flüssig­wasserstofftanks

     

     

    Flüssigwasserstofftanks sind mit Größen von 1 und 5 Tonnen Wasserstoffinhalt verfügbar. Die Behälter sind isoliert. Dennoch lässt sich eine Erwärmung nicht vermeiden, sodass ca. 0,5 Prozent des tiefkalten flüssigen Wasserstoffs (-253 °C) pro Tag verdampfen (Boil-off-Verlust). Dieser Wasserstoff kann auch für die Betankung oder energetisch genutzt werden. 

     

     

III MOBILITÄT

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  • PEM-Brennstoffzelle

     

     

    In Fahrzeugen, die über einen Brennstoffzellen-Elektroantrieb verfügen, wird in Wasserstofftanks chemische Energie in Form von gasförmigem Wasserstoff mitgeführt. In einem elektrochemischen Prozess wird diese dann in elektrische Energie umgewandelt und kontinuierlich an den nachgeschalteten Elektromotor weitergegeben. Als zentraler Energiewandler übernimmt die Brennstoffzelle dabei auch die Funktion der Lichtmaschine und liefert den Strom für die gesamte Elektronik und andere Verbraucher im Fahrzeug.

    Die in den Fahrzeugen eingesetzte PEM-Brennstoffzelle besteht im Kern aus einer protonenleitenden Membran (Polymer-Elektrolyt-Membran oder Protonenaustauschmembran), die auf beiden Seiten mit einem Platinkatalysator beschichtet ist. Diese Schichten bilden die Elektroden der Brennstoffzelle. Damit eine Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser erfolgen kann, muss die protonenleitende Membran befeuchtet werden. Für den Prozess muss der Anode kontinuierlich Wasserstoff zugeführt werden, die Kathode wird ständig über die zugeführte Luft mit Sauerstoff versorgt. Die Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verläuft in zwei Teilreaktionen: Anode: 2 H2 → 4 H+ + 4e- Kathode: O2 + 4e- + 4H+ → 2 H2O Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 → 2 H2O Aus Einzelzellen werden Zellstapel, die so genannten Stacks, indem die Zellen sandwichartig aufeinander gelegt werden. Die Stromstärke ist dabei proportional zur Elektrodenfläche und kann durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Elektrodenfläche reguliert werden. Die Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle erfolgt völlig emissionsfrei – nur Wärme und Wasserdampf werden freigesetzt. Damit ist ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle ein so genanntes Null-Emissions-Fahrzeug (Zero Emission Vehicle - ZEV).

     

     

  • BRENNSTOFFZELLEN-­­HYBRIDBUSSE

     

     

    Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenhybridbusse stoßen im Gegensatz zu beispielsweise Diesel-Hybridbussen keine klimaschädlichen Schadstoffe wie Kohlendioxid (CO2) aus. Es wird lediglich klimaneutraler Wasserdampf freigesetzt. Auch die Lärmemissionen sind um ein Vielfaches reduziert. Die neueste Generation der Brennstoffzellenhybridbusse besitzt weiter entwickelte Brennstoffzellensysteme mit deutlich geringerem Wasserstoffverbrauch und längeren Lebensdauern. Während der Fahrt emittiert der Bus keinerlei Schadstoffe und fährt fast geräuschlos. Insbesondere die Rückgewinnung der Bremsenergie trägt maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs bei.

     

     

  • Fahrzeugtanks

     

     

    Moderne Fahrzeugtanks zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff sind sogenannte Verbundmaterialflaschen, die einen Kunststoffkern und um diesen herum gewickelten Kohlefasern besitzen. Sie erlauben Drücke von 700 bar. Die Tanks werden typischerweise mit Sicherheitsfaktoren von über 2 bezüglich des Betriebsdrucks ausgelegt. Bei Unfällen mit Wasserstofffahrzeugen sind bis heute keine Tankbeschädigungen beobachtet worden.

    Weit verbreitet ist die Meinung, dass Wasserstoff durch Materialien hindurchdiffundiert und nicht im Tank bleibt. In der Tat sind die Wasserstoffmoleküle sehr klein. Wasserstoff wird jedoch in Stahlflaschen ohne Probleme bei einem Druck von 200 bar und mehr transportiert und gelagert. Bei Metallbehältern ist das Problem der Diffusion ohne jede praktische Bedeutung, da die Geschwindigkeit des Prozesses viel zu gering ist. Bei den oben beschriebenen Fahrzeugtanks ist die Diffusionsrate grundsätzlich höher, aber ebenfalls in der Praxis vernachlässigbar. Andernfalls würden diese Tanksysteme nicht zugelassen werden. Eine Einfahrt oder das Abstellen der Fahrzeuge in Parkgaragen, Tunnels und anderen geschlossenen Räume ist daher kein Problem.

     

     

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