Technologie und Innovation
Die Weltgemeinschaft hat sich 2015 im Übereinkommen von Paris dazu bekannt, die globale Erderwärmung auf deutlich unter 2,0 °C und möglichst auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Im Einklang mit dem Pariser Abkommen haben sich die EU und Deutschland das ambitionierte Klimaschutzziel gesetzt, die Emissionen von Treibhausgasen (THG) bis 2050 entsprechend zwischen 80 % für das 2,0 °C-Ziel, und 95 % für das 1,5 °C-Ziel, zu reduzieren verglichen mit 1990. Deutschland steht vor einer großen Herausforderung um den notwendigen Beitrag zur Erreichung der verbindlichen Klimaziele zu leisten. Der Verkehrssektor in Deutschland ist für rund 25 % der deutschen CO2-Emissionen verantwortlich. Um die nötige Reduktion an CO2-Emissionen rechtzeitig zu erreichen, ist ein revolutionärer Wandel in unserem Verkehrssektor nötig.
Erneuerbare Energien Anlagen
Strom aus Erneuerbaren Energie Anlagen wir, unter anderem, mittels Sonnen- und Windenergie gewonnen. Dieser Strom ist nahezu CO2-frei weil bei seiner Produktion keine Emissionen frei werden. Das unterscheidet Erneuerbaren „grünen“ Strom von Strom der auf fossilen Energieträgern beruht.
Mit Hilfe des grünen Stroms, kann über Elektrolyse grüner Wasserstoff produziert werden.
Funktionsweise Elektrolyse
Grundsätzlich wird bei der Elektrolyse reines Wasser (H2O) unter Einbringung von elektrischer Energie in seine Elemente Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) getrennt.
Genauer wird an eine Elektrolysezelle eine elektrische Spannung angelegt, die höher ist, als die Zersetzungsspannung des Wassers. Mit Hilfe der katalytischen Wirkung der Elektroden aus Edelmetall, wird an der Anode (rot) das zugeführte Wasser in Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen aufgespalten. Die Wasserstoff-Ionen wandern danach durch die Membran zur Kathode (blau), an welcher sie zu molekularem Wasserstoff reduziert werden. Der molekulare Wasserstoff wird dann entnommen und kann gespeichert werden.
Es gibt unterschiedliche Elektrolysearten, welche aber grundlegendend die genannte Funktionsweise besitzen. Genaueres zu den Elektrolysearten hier.
Funktionsweise Elektrolyse
Grundsätzlich wird bei der Elektrolyse reines Wasser (H2O) unter Einbringung von elektrischer Energie in seine Elemente Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) getrennt.
Genauer wird an eine Elektrolysezelle eine elektrische Spannung angelegt, die höher ist, als die Zersetzungsspannung des Wassers. Mit Hilfe der katalytischen Wirkung der Elektroden aus Edelmetall, wird an der Anode (rot) das zugeführte Wasser in Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen aufgespalten. Die Wasserstoff-Ionen wandern danach durch die Membran zur Kathode (blau), an welcher sie zu molekularem Wasserstoff reduziert werden. Der molekulare Wasserstoff wird dann entnommen und kann gespeichert werden.
Es gibt unterschiedliche Elektrolysearten, welche aber grundlegendend die genannte Funktionsweise besitzen. Genaueres zu den Elektrolysearten hier.
H2 – Speicher: Beimischung Erdgasnetz mit min. 20 %/ Salzkavernen/ stationäre H2 Speicher
Die natürlichen Schwankungen in der Erzeugung von Wind- und Sonnenenergie erfordern eine Speicherung, um bei überschüssiger Stromproduktion die EE-Anlagen nicht abschalten zu müssen und gleichwohl bei einem höheren Energiebedarf auf die gespeicherte Energie zurück greifen zu können. Für grünen Wasserstoff bieten sich in Europa unterirdische Salzkavernen als Speicher an. Um eine solche Kaverne zu erzeugen, wird Wasser durch den Salzstock gespült.
Das Salz löst sich und wird als Sole an die Oberfläche gepumpt. In Norddeutschland liegen die meisten Kavernen in einer Tiefe von 500 bis 2500 m. Sie haben einen Durchmesser von 50 bis 100 m bei einem Durchmesser von 100 bis 500 m. Je nach den vorherrschenden geologischen Gegebenheiten kann Wasserstoff hier unter Speicherdrücken von 150 bis 200 bar gelagert werden. Im die Stabilität der Kaverne zu gewährleisten können 2/3 des gelagerten Gases genutzt werden. Ein Drittel muss aus statischen Gründen als Kissengas in der Kaverne verbleiben.
Der gespeicherte Wasserstoff kann zur weiteren Nutzung entweder per Brennstoffzelle rückverstromt, direkt in Brennstoffzellenfahrzeugen zur Fortbewegung, oder anderen Anwendungen genutzt werden.
Neben Salzkavernen kann auch das bestehende Erdgasnetz als Speicher bzw. Transportmedium genutzt werden. Durch die Beimischung von Grünem Wasserstoff in das bestehende Erdgasnetz werden die Emissionen, die durch die Nutzung des klimaschädlichen Erdgas frei werden, reduziert. Bis zu 20 % Wasserstoff können dem Erdgas zugefügt werden, ohne dass technische Änderungen an den Endgeräten in den Haushalten nötig sind.
Neben dem Transport von Wasserstoff an die Haushalte kann so auch das Erdgasnetz als Wasserstoffspeicher genutzt werden. Wenn grüner Wasserstoff längerfristig in ausreichender Menge verfügbar ist, ist auch eine komplette Umwidmung des Gasnetzes auf reinen Wasserstoff denkbar. Erprobungen zur technischen Umsetzung laufen hierzu bereits.
Neben Salzkavernen kann auch das bestehende Erdgasnetz als Speicher bzw. Transportmedium genutzt werden. Durch die Beimischung von Grünem Wasserstoff in das bestehende Erdgasnetz werden die Emissionen, die durch die Nutzung des klimaschädlichen Erdgas frei werden, reduziert. Bis zu 20 % Wasserstoff können dem Erdgas zugefügt werden, ohne dass technische Änderungen an den Endgeräten in den Haushalten nötig sind.
Neben dem Transport von Wasserstoff an die Haushalte kann so auch das Erdgasnetz als Wasserstoffspeicher genutzt werden. Wenn grüner Wasserstoff längerfristig in ausreichender Menge verfügbar ist, ist auch eine komplette Umwidmung des Gasnetzes auf reinen Wasserstoff denkbar. Erprobungen zur technischen Umsetzung laufen hierzu bereits.
Wissen – H2 Produktion
Im ersten Schritt der Wertschöpfungskette zu grüner Wasserstoffmobilität wird Strom aus Erneuerbaren Energien mit Hilfe von Elektrolyseuren in Wasserstoff umgewandelt. Dieser grüne Wasserstoff ist klimaneutral, da für die Erzeugung keine fossilen Kraftstoffe verwendet werden. Grüner Wasserstoff bietet neben der Emissionsfreiheit den Vorteil, dass die erneuerbare Energiebereitstellung für die Mobilität unabhängig von der aktuellen Witterungssituation jederzeit und in ausreichender Menge gewährleistet werden kann.
Der Wasserstoff wird dann in die Betankungs-infrastruktur geleitet um Fahrzeuge zu betanken.
Wissen – Betankungsinfrastruktur
Der schnelle Aufbau einer flächendeckenden Betankungsinfrastruktur für Wasserstoff ist Voraussetzung für den Hochlauf der Brennstoffzellen-Mobilität (BZ-Mobilität) und somit der Erreichung der Klimaziele. Damit der Wasserstoff für Fahrzeuge verfügbar ist, wird er über Pipelines an Wasserstofftankstellen geleitet, vor Ort per Elektrolyse produziert oder per Lkw angeliefert. Längerfristig ist die Versorgung der Tankstellen per Pipeline sinnvoll, um einen hohen Wasserstoffdurchsatz und die Versorgung der wachsenden Zahl an BZ-Fahrzeugen sicherzustellen.
Für die Wasserstoffbetankung gibt es unterschiedliche Technologien. Es kann entweder gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff an die Tankstellen geliefert werden.
Für den kommerziellen Betrieb von Tankstellen erweist sich die Belieferung durch H2-Trailer mit gasförmigem oder flüssigem H2 oder ein Anschluss an ein Pipelinenetz als zukunftsweisend. Die meisten Nutzfahrzeuge werden heutzutage mit 350 bar gasförmigem Wasserstoff betankt. Pkw werden meist mit 700 bar gasförmigem Wasserstoff betankt. Die Druckunterschiede sind hauptsächlich durch die möglichen Tankvolumina und der technischen Umsetzung bedingt.
Große Nutzfahrzeuge können mit größeren Tanks ausgestattet werden, wodurch große Reichweiten auch mit dem geringeren Druck, und folglich der geringeren Energiedichte, von 350 bar erreicht werden. Des Weiteren, besteht auch die Möglichkeit H2 per Elektrolyse an der Tankstelle selbst zu erzeugen. Lokale EE-Anlagen können hier dezentral H2-Tankstellen mit grünem Strom und grünem Wasserstoff versorgen.
