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Eine langfristig sichere, wirtschaftliche sowie ressourcen- und umweltschonende Energieversorgung basiert auf einem ausgewogenen Energiemix ebenso wie auf der kontinuierlichen Erforschung und Markteinführung neuer zukunftsfähiger Technologien. Wasserstoff und Brennstoffzellen werden bei der Energieversorgung im 21. Jahrhundert eine bedeutende Rolle spielen, denn erneuerbare Energiequellen können nur zum Teil direkt in Form von Wärme und Strom genutzt werden, da sie intermittierend anfallen. Für die umfassende Nutzung dieser unerschöpflichen Energiequellen ist deshalb ein speicherfähiger, transportierbarer und umweltfreundlicher Energieträger notwendig: Wasserstoff erfüllt alle diese Anforderungen an einen chemischen Energieträger, der mittelfristig Erdgas, Erdöl und Kohle ergänzen und längerfristig sogar ersetzen kann.
Wasserstoff aus Wasser hergestellt, ist mit dem bestehenden Energieversorgungssystem kompatibel. Wasserstoff lässt sich umweltfreundlich und sicher zur Erzeugung von Wärme und Strom sowie als sauberer Kraftstoff an Bord verwenden - das Reaktionsprodukt ist immer reines Wasser. Auch die Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenenergie sowie Wind- und Wasserkraft ist technisch möglich und langfristig wirtschaftlich. Wasserstoff ist somit der Schlüssel zu einer weltweit nachhaltigen Energiewirtschaft.
Für eine nachhaltige Energieversorgung unter Einbindung von Wasserstoff muss der Anteil des regenerativ erzeugten Wasserstoffs und damit auch die regenerative Stromerzeugung deutlich gesteigert werden. Neue Verfahren sind in der Entwicklung:
• Hochdruckelektrolyse,
• Biogasreformierung, Biomassevergasung,
• Kohlevergasung mit CCS (Carbon Capture Sequestration),
• photobiologische Erzeugung,
• solarthermische Verfahren zur Veredlung fossiler Energieträger und
• solarthermische Verfahren zur Wasserspaltung.
Staatliche Maßnahmen wie das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland oder ein CO2-Zertifikat-Handel dürften wesentlichen Einfluss auf den Erfolg einer zukünftigen Wasserstofftechnik haben. Die besondere Ausgangssituation im Land Nordrhein-Westfalen ist durch eine europaweit einmalige Dichte an kommerziellen Wasserstofferzeugungsanlagen, einen mengenmäßig signifikanten Anfall von Wasserstoff als Nebenprodukt der chemischen Industrie sowie das Vorhandensein von Infrastrukturelementen (Pipeline) geprägt, die als Rückgrat einer schrittweisen Verdichtung von Tankstellennetzen dienen können. Im Gegensatz zu anderen Regionen muss daher mit dem Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur in Nordrhein-Westfalen nicht auf der grünen Wiese begonnen werden.
Wasserstoff ist kein Primärenergieträger und muss daher eigens erzeugt werden. Er wird deshalb entweder aus kohlenwasserstoffhaltigen, fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Erdgas durch Abspaltung durch die sogenannte Reformierung oder mittels Elektrolyse (elektrische Spaltung) von Wasser hergestellt.
Vor der Aufbereitung muss der kohlenwasserstoffhaltige Energieträger generell bei jedem Brennstoffzellentyp gereinigt und entschwefelt werden (Schwefelgehalt <1ppm). Bei Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) und Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) wird der Wasserstoff durch externe Reformer erzeugt. Wasser und zum Beispiel Methan werden hier unter Zuführung von Wärme in Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten (Dampfreformierung). Während des nachgeschalteten Prozesses im Shift-Konverter wird zwar bei der Umwandlung von verbleibendem Kohlenmonoxid und Wasser in Kohlendioxid und Wasserstoff wiederum Wärme frei, aber nicht genug, um den endothermen Reforming-Prozeß aufrecht zu halten. Erdgas oder der von der Brennstoffzelle nicht verbrauchte Restwasserstoff werden zur Wärmeerzeugung genutzt. Der Reformer beeinträchtigt damit die energetischen Vorteile der Brennstoffzelle, indem rund 20 % der eingesetzten Energie für Prozessenergie verwendet werden (siehe auch Kapitel zum Brennstoffzellen-Gesamtsystem).
Die Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) kann anstelle von Wasserstoff auch die Kohlenstoff-Komponenten der Kohlenwasserstoffe in Energie umwandeln.
Die verschiedenen Schritte der Brenngasaufbereitung zeigt die nachfolgende Abbildung. Die Entfernung des Kohlenmonoxids vor allem bei den PEMFC von entscheidender Bedeutung, da es als Katalysatorgift wirkt und damit die Leistung der Zelle verringert.
(Quelle: Forschungszentrum Jülich)
Brennstoffzellen arbeiten sehr schadstoffarm. Beim Erdgas- und Methanolbetrieb entstehen Wasser und Kohlendioxid. In Abhängigkeit vom Systemwirkungsgrad bei Strom- und Wärmeversorgung werden die Kohlendioxid-Emissionen gegenüber Motor-BHKW weiterhin reduziert. Bei Wasserstoffbetrieb entstehen keine Kohlendioxid-Emissionen und, da die Systemtemperaturen im Vergleich zur konventionellen Feuerung niedrig sind, kaum noch Stickoxide.
Weitere Details zur Verfahrenstechnik der Brenngaserzeugung finden sich auf den Brennstoffzellenseiten des Instituts für Energieforschung IEK-3 am Forschungszentrum Jülich.
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