Informationen über Wasserstoff

Allgemeine Informationen


1. Wasserstoff als Teil der Energiewende

Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht einen klaren Plan für den Ausbau erneuerbarer Energien vor – von aktuell 20 Prozent auf 80 Prozent in 2050*. Voraussetzung für die Nutzung der erneuerbaren Energien ist ein leistungsfähiges Stromnetz, das Leistungsschwankungen erneuerbarer Energiequellen auffangen kann. Bei Windenergieanlagen wird zum Beispiel in bestimmten Intervallen mehr Strom erzeugt, als zu diesem Zeitpunkt benötigt wird (z.B. bei starkem Wind). Damit die Energie nicht verloren geht, muss sie zwischengespeichert werden. Allerdings sind
Speicherkapazitäten in Deutschland nur unzureichend vorhanden.

Nach Angaben der Bundesnetzagentur betrug die Ausfallenergie durch die Abregelung von Windenergieanlagen 2010 bereits 127 GWh. Wasserstoff könnte eine Schlüsselbedeutung als Energiespeicher einnehmen, denn er kann als Speichermedium für große Energiemengen eingesetzt werden und eine bedarfsorientierte Einspeisung erneuerbarer Energie in das Stromnetz ermöglichen. Überschüssige regenerative Energie kann gespeichert werden und so verhindert werden, dass sie durch Abregelung verloren geht. Wasserstoff als Speichermedium wäre somit in den gesamten Energiekreislauf – von der Energieerzeugung über die Speicherung bis hin zum Verbrauch – eingebunden. Eine Verwendungsform ist dabei H2 als Kraftstoff.

*(Stand: 1. Halbjahr 2011, Quelle: BMU)

Regenerativ erzeugt, kann Wasserstoff ein zentraler Baustein zum Gelingen der Energiewende in Deutschland sein und eine CO2-freie Mobilität ermöglichen.

Weiterführende Informationen finden Sie unter:

www.h2hamburg.de (PDF, 1,44 MB)

www.now-gmbh.de

performing energy

Wasserstoffmobilität kommt in Fahrt (PDF, 0,76 MB)

2. Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das kleinste, leichteste und einfachste Element des Universums und trägt die chemische Bezeichnung „H“ (griech.-lat.: hydrogenium = „Wasserbildner“). Wasserstoff besteht aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Proton. Er ist das häufigste Element des Universums, tritt auf der Erde jedoch fast ausschließlich in chemisch gebundener Form z.B. in Wasser oder Kohlenwasserstoffen wie Erdgas und Biomasse auf. Reiner Wasserstoff tritt immer paarweise auf (H2) und wird entweder gasförmig (CGH2 (CG für „compressed gaseous“, englisch „gasförmig komprimiert“) oder flüssig LH2 („L“ für liquid, englisch „flüssig“) gespeichert. Er kann aber unter Einsatz von Energie freigesetzt werden und damit zu einem Speicher für Energie werden - ein Energieträger. Zusammen mit Sauerstoff reagiert sowohl CGH2 als auch LH2 zu reinem Wasser. Von allen Brenn- und Treibstoffen hat Wasserstoff bezogen auf die Masse die höchste Energiedichte. 1 kg Wasserstoff enthält so viel Energie wie 2,8 kg Benzin.

3. Was sind die vorteilhaften Eigenschaften?

Wasserstoff als Energiespeicher in Kombination mit seiner Erzeugung aus erneuerbarer Energie entspricht dem Ideal eines umweltverträglichen Kreislaufs: Wasserkraft, Windräder oder Solarzellen erzeugen elektrischen Strom, mit dem Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden kann. Der Wasserstoff wird zunächst gespeichert und später bei Bedarf entweder zur Wärmeerzeugung verbrannt, in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt oder als Kraftstoff in Fahrzeugtanks gefüllt. Als Nebenprodukt entsteht jeweils wieder Wasser.

4. Was ist Elektrolyse?

Elektrolyse ist die elektrochemische Aufspaltung flüssiger Verbindungen mittels elektrischer Energie. Ein Beispiel ist die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei sammeln sich das Wasserstoffgas an der negativen und das Sauerstoffgas an der positiven Elektrode. Die eingesetzte elektrische Energie wird dabei als chemische Energie im Wasserstoff gespeichert. Der umgekehrte Prozess läuft in der Brennstoffzelle ab: Hier wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie durch Beigabe von Sauerstoff aus der Umgebungsluft emissionsfrei wieder in elektrische Energie und Wasser zurückgewandelt.

5. Was ist die CEP?

Die Clean Energy Partnerschip (CEP) ist das größte Demonstrationsprojekt für Wasserstoffmobilität in Europa und ein Leuchtturmprojekt des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP). Es handelt sich um eine Public-Private Partnership. Technologie-, Mineralöl- und Energiekonzerne sowie die Mehrzahl der größten Autohersteller und zwei führende Betriebe des öffentlichen Nahverkehrs beteiligen sich an diesem Projekt.

Als assoziierte Partner unterstützen Baden-Württemberg, Hessen und Nordrhein-Westfalen das Vorhaben der CEP, den Weg in die Wasserstoffgesellschaft bis zum Projektende 2016 zu ebnen.

6. Was ist das NIP?

Um den weiteren Ausbau der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie zu gewährleisten, haben Bund, Industrie und Wissenschaft gemeinsam in strategischer Allianz 2006 das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie initiiert. Es soll durch die Förderung von groß angelegten Demonstrationsprojekten und Projekten aus dem Bereich Forschung und Entwicklung die Marktvorbereitung von Produkten dieser zukunftsgerichteten Technologie entscheidend beschleunigen.

Das NIP ist in die drei Programmbereiche »Verkehr und Wasserstoffinfrastruktur«, »Stationäre Energieversorgung« und »Spezielle Märkte« unterteilt. In allen Programmbereichen liegt der Fokus, mit Blick auf serientaugliche Komponenten, explizit auch auf der Stärkung der Zulieferindustrie.

Clean Energy Partnership:
www.cleanenergypartnership.de

Dt. Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband:
www.dwv-info.de

Download

Infos zur Speicherung von Wasserstoff:
www.h2hamburg.de
www.now-gmbh.de

Wasserstoff-Stationen

1. Was gibt es für verschiedene Tankstellentypen?

An den H2-Tankstellen kommen aktuell zwei Druckstufen zum Einsatz, bei denen sich der Befüllkupplung unterscheidet. Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge werden mit gasförmigen Wasserstoff bei 700 bar betankt. Es gibt aber auch H2-Fahrzeuge, die bei 350 bar betankt werden. Je nach Standort ist zu prüfen, ob neben der gängigen 700 bar Pkw-Betankung auch die Möglichkeit einer 350 bar Pkw- und/oder Busbetankung eingerichtet werden soll.

In der Vergangenheit wurde auch die Betankung von Pkw mit tiefkaltem, flüssigem Wasserstoff erprobt. Die Betankung mit gasförmigem Wasserstoff hat sich aufgrund der geringeren

Wasserstoff-Infrastruktur für eine nachhaltige Mobilität (PDF, 3,89 MB)

Wasserstofftankstellenkonzepte (PDF, 4,83 MB)

2. Wie sicher sind H2-Tankstellen?

H2-Tankstellen werden seit mehr als 10 Jahren erprobt, aktuell gibt es ca. 200 Anlagen weltweit. Bisher ist es zu keinem schwerwiegenden Vorkommnis gekommen. Die Sicherungsanforderungen sind sehr hoch. Vor der Inbetriebnahme der errichteten H2-Anlage ist eine Prüfung gem. § 14 BetrSichV notwendig, die durch einen Gutachter einer zugelassene Überwachungsstelle (ZÜS) ausgeführt wird. Nach erfolgreicher Abnahme und damit Bestätigung des sicheren Betriebs der Anlage, kann die Wasserstofftankstelle in den öffentlichen Betrieb gehen.

Der weltweit gültigen Betankungstandard SAE J2601 regelt wichtige Parameter, um Brennstoffzellenfahrzeuge zuverlässig und sicher bei 700 bar zu betanken und z. B. Überhitzung und Überfüllung der Fahrzeuge zu verhindern.

Die Norm kann hier beschafft werden: 

standards.sae.org

Weitere Informationen zum Thema Sicherheit und H2 finden Sie in der Wasserstoff-Sicherheits-Kompendium des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverbandes (DWV): 

www.dwv-info.de
(PDF, 2 MB)

Sichere Wasserstoffinfrastruktur (PDF, 2,7 MB)

3. Wie kommt der Wasserstoff zur Tankstelle?

In der Regel wird der gasförmige Wasserstoff in Drucktanks per Lkw von einer zentralen Produktionsstätte an die Tankstellen geliefert. An einigen Tankstellen ist die Anlieferung von tiefkaltem, flüssigem Wasserstoff möglich.

An einigen Standorten wird der Wasserstoff direkt an der Tankstelle per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt. Dieser Strom kann sogar direkt vor Ort mittels Photovoltaik- oder Windenergie erzeugt werden. Die Tankstelle ist weitgehend „autark“ und es fallen keine Kosten für den Wasserstofftransport an. Allerdings ist heute die zentrale Produktion von größeren Mengen H2 wirtschaftlicher.

4. Wie viele Tankstellen gibt es?

In Deutschland gibt es derzeit 15 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen. Das Bundesverkehrsministerium und die Industriepartner Air Liquide, Air Products, Daimler, Linde und Total Deutschland haben in einer gemeinsamen Absichtserklärung beschlossen, das Tankstellennetz bis Ende 2015 auf 50 Stationen auszubauen. Damit wird Deutschland weltweit eines der ersten Länder sein, das über ein Grundversorgungsnetz verfügt, das die wichtigsten Ballungsräume abdeckt und untereinander verbindet.

Weitere Informationen sind auf der Website der Clean Energy Partnership (CEP) zu finden.

Neben den öffentlich zugänglichen Stationen gibt es noch einige Betankungsanlagen auf Betriebshöfen und Forschungseinrichtungen.

Einen Überblick über die H2-Tankstellen weltweit ist auf der Website h2stations.org zu finden.

5. Was kostet Wasserstoff an der Tankstelle?

An den öffentlichen Tankstellen innerhalb der Clean Energy Partnership wird der Wasserstoff für 0,95 Euro/ 100g abgegeben. Es handelt sich hierbei um einen politisch motivierten Preis, der von den Projektpartnern festgelegt wurde. Erst wenn die Anzahl an Fahrzeugen und Tankstellen signifikant zunimmt und damit die Abgabemenge steigt, ist mit einem realen Preis, sprich einem Preis, der auch die tatsächlichen Kosten abdeckt, zu rechnen. Die Entwicklung des Wasserstoffpreises wird auch von der politischen Unterstützung und der Besteuerung des umweltfreundlichen Kraftstoffs abhängen.


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Sichere Wasserstoffinfrastruktur

Clean Energy Partnership:
www.cleanenergypartnership.de

Dt. Wasserstoff- und  Brennstoffzellenverband:

www.dwv-info.de

Überblick H2-Tankstellen:
www.h2stations.org

Norm zum Betankungsstandard:
standards.sae.org

Download

Wasserstoff-Sicherheitskompendium:
www.dwv-info.de (PDF, 2 MB)


H2 Mobility - 70MPa Hydrogen Refuelling Station Standardization (PDF, 0.5MB)

Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCHV)

1. Was ist ein Brennstoffzellenantrieb?

In Fahrzeugen, die über einen Brennstoffzellen-Elektroantrieb verfügen, wird die im druckgasförmigen Wasserstofftank mitgeführte chemische Energie in einem elektrochemischen Prozess 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.

2. Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? 

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, in dem Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert und ohne Verbrennungsflamme zu Wasser reagieren und dabei Strom und Wärme erzeugen. Der gleiche Prozess läuft umgekehrt bei der Elektrolyse ab. Eine Brennstoffzelle ist durch eine dünne Kunststofffolie, die Polymer Elektrolyt  Membran (PEM), in zwei Teile getrennt. Die Folie ist auf jeder Seite mit einem Katalysator und einer gasdurchlässigen Elektrode beschichtet. Durch die feinen Gaskanäle strömen Wasserstoff und Sauerstoff von einer Seite zur anderen. Der Katalysator zerlegt den Wasserstoff in ein Elektron und ein Proton. Die positiv geladenen Protonen können durch die PEM - Folie hindurch schlüpfen, die negativen Elektronen aber nicht. Dadurch wird eine Spannung erzeugt. Verbindet man die Elektroden, fließt ein Gleichstrom. Als Resultat dieser elektrochemischen Reaktion entsteht reines Wasser (H2O).

Für den Fahrzeugantrieb werden viele Brennstoffzellen in Reihe zu Stapeln (engl.: Stacks) zusammengeschaltet, um die elektrische Spannung zu erhöhen.

3. Wie sicher sind Brennstoffzellenfahrzeuge?

Auch Brennstoffzellenfahrzeuge werden seit mehr als 10 Jahren erprobt. Bisher ist es zu keinem schwerwiegenden Unfall gekommen. Die Sicherheitsanforderungen an die Fahrzeuge sind sehr hoch. Vor der Inbetriebnahme und der Zulassung erfolgt eine Abnahme durch den TÜV und die zuständigen Behörden.

Die Tanks der Wasserstofffahrzeuge bestehen aus einem Kunststoffkern und um diesen herumgewickelten Kohlefasern. Die einzelnen Komponenten werden TÜV-geprüft, zudem existieren eine Reihe nationaler und internationaler Normen (EN, ISO, IEC, etc.)

Das Sicherheitskonzept der Automobilhersteller sieht grundsätzlich vor, dass Tanks, Leitungen und Ventile vollständig dicht sein müssen. Daher können die Fahrzeuge auch in Garagen, Tunneln und Parkhäuser einfahren. Es gibt in keinem Bundesland Beschränkungen für die Einfahrt von Wasserstoffautos in Parkhäuser und Garagen. Nur für Gase, die schwerer als Luft sind (z.B. LPG bzw. „Autogas“) gibt es mancherorts Beschränkungen. Oftmals wird Wasserstoff mit Explosion in Verbindung gebracht. Allerdings wird für die Detonation von Wasserstoff eine Mischung mit Sauerstoff (min. 4% vol. H2 in der Luft) sowie eine Zündquelle (z.B. ein Funken) benötigt. In einem Hochdruck-Wasserstofftank ist jedoch niemals Sauerstoff enthalten – im Gegensatz zu Benzin- oder Kerosintanks, so dass keine Detonation erfolgen kann. Drucktanks sind typischerweise mit Sicherheitsfaktoren von über 2 bezüglich des Betriebsdruck ausgelegt – d.h. ein 700 bar Tank muss einem Druck von mindestens 1.400 bar und höher Stand halten und hat dadurch, z.B. im Falle eines Verkehrsunfalls, hohe Sicherheitsreserven.

Wird ein Entweichen von Wasserstoff durch Sensoren im Fahrzeug registriert, werden sofort sämtliche Ventile geschlossen, ein Entweichen von Wasserstoff ist dann nicht mehr möglich. Im Fahrzeug werden Schadensfolgen durch eine Beschädigung von Ventilen auch dadurch eingegrenzt, dass der Druck, der im Tank besteht (700 bzw. 350 bar), durch Druckreduktionsventile auf einen niedrigeren Druck von ca. 20-30 bar reduziert wird, sobald der Wasserstoff den Tank verlässt. Der Gasdruck in den Gasförderleitungen und der Brennstoffzelle ist also deutlich geringer.

Ein Film zum Thema „Sind Wasserstoff-Autos gefährlicher als herkömmliche Benzin-Fahrzeuge?“

Weitere Informationen zum Thema Sicherheit und H2 finden Sie hier:

Wasserstoff-Sicherheits-Kompendium des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverbandes (DWV, PDF)
oder beim TÜV Süd.

4. Wann kann ich Brennstoffzellenautos kaufen?

Zurzeit sind Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit Wasserstoff einen Elektromotor antreiben, noch keine Serienprodukte und daher noch teurer als herkömmliche Fahrzeuge. Fast alle Automobilkonzerne arbeiten aber mit Hochdruck an deren Serienreife. Bis dahin ist noch einiges an Forschungsarbeit zu leisten. Neben der eigentlichen Fahrzeugtechnik ist vor allem die Schaffung eines Tankstellennetzes notwendig. Zurzeit werden die Fahrzeuge weltweit noch in verschiedenen Demonstrationsvorhaben auf Ihre Alltagstauglichkeit getestet (s. z.B. Punkt 5) – dies aber mit großem Erfolg. Flottenversuche und Einzeldemonstrationen zeigen, dass ein Wasserstoffauto einem konventionellen Fahrzeug in Sachen Sicherheit und Fahrkomfort in nichts nachsteht. Um die Markteinführung der Brennstoffzellenfahrzeuge zu beschleunigen wurden strategische Kooperationen großer Automobilbauer geschlossen. Erste Serienfahrzeuge werden seitens einiger Unternehmen bereits ab 2015 prognostiziert.

Informationen zu den strategischen Kooperationen finden Sie bei DAIMLER und BMW.

Clean Energy Partnership:
www.cleanenergypartnership.de

Film „Sind Wasserstoff-Autos gefährlicher als herkömmliche Benzin-Fahrzeuge?“
www.youtube.com

Infos zu Kooperationen:
BMW / TOYOTA
DAIMLER

Download

Allgemeine Info TÜV:
www.tuev-hessen.de (PDF, 0,3 MB)

Film zum Thema „Sind Wasserstoff-Autos gefährlicher als herkömmliche Benzin-Fahrzeuge?“
http://www.bmwgroup.com/d/0_0_www_bmwgroup_com/investor_relations/corporate_news/news/2012/Ausbau_Zusammenarbeit_Toyota.html