wasserstoff-infrastruktur für eine nachhaltige mobilität - e-mobil BW

Kapitel 2
Gewinnung und Bereitstellung des Kraftstoffs bzw. Energieträgers
bis zur Umwandlung in mechanische (Antriebs-) Energie betrachtet.
Die TTW-Methode (wörtlich: vom Tank zum Rad) berücksichtigt
nur die Wirkkette im Fahrzeug. Im Kontext einer nachhaltigen Energieversorgung
und des Klimaschutzes ist die umfangreichere
WTW-Betrachtung notwendig. Ein Vergleich von Fahrzeugen mit
Verbrennungsmotoren, batterieelektrischem und Brennstoffzellen-
Antrieb resultiert in einer komplexen Matrix und war bereits
Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Studien. Auf eine umfassende
Betrachtung wird an dieser Stelle verzichtet, stattdessen
sollen anhand aktueller Daten des Referenzwerks „Well-to-wheel
Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European
Context“ [3] allgemeine Schlussfolgerungen und Ableitungen
für eine Wasserstoff-Tankstelleninfrastruktur gezogen werden.
Eine Gegenüberstellung wichtiger Antriebskonzepte nach [3] ist
in Abbildung 1 gegeben. Bezogen auf eine PKW-Fahrleistung von
100 km werden der spezifische Primärenergiebedarf als Maß für
die Effizienz der gesamten Wirkkette sowie auch die damit ver-
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Primärenergieverbrauch [MJ/100 km]
GHG-Emissionen [g CO 2 eq/km]
bundenen Emissionen klimaschädlicher Treibhausgase (engl.:
greenhouse gas – GHG, ausgedrückt in CO2-Äquivalent) verglichen.
Folgende Antriebskonzepte sind berücksichtigt:
Ein dieselbetriebener PKW, Stand 2010, mit „Direct-Injection-
Compression-Ignition“-Technologie und Diesel-Partikelfilter (ICE
Diesel) als Referenzwert für die konventionellen Technologien;
Brennstoffzellen-PKWs mit Wasserstoff aus (I) zentraler Erdgasreformierung
nach heutigen Stand der Technik (FCEV, CNG), aus
(II) einer zentralen Elektrolyseanlage mit einer Energieversorgung
gemäß dem heutigen EU-Strommix (FCEV, EU-Strommix)
und letztendlich aus (III) einer zentralen Elektrolyseanlage, welche
mit Windstrom versorgt wird (FCEV, Windstrom);
Sowie Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb mit (I) Strom
gemäß aktuellen EU-Strommix (BEV, EU-Strommix) und (II) Windstrom
als Vertreter für erneuerbare Energien (BEV, Windstrom).
Strom aus erneuerbaren Energien wird gemäß der Literatur [3] mit
einem Umwandlungswirkungsgrad von 100 % angenommen.
ICE, Diesel BEV, EU-Strommix EU-Windstrom FCEV, CNG FCEV, EU-Strommix FCEV, Windstrom
Abbildung 1: Primärenergieverbrauch und Greenhouse-Gas-Emissionen ausgewählter Antriebskonzepte gemäß einer Well-To-Wheel-Analyse nach [3]
Dieser Vergleich macht deutlich, dass batterieelektrische Fahrzeuge
(BEV) und Brennstoffzellen-Fahrzeuge (FCEV) nur durch Nutzung
erneuerbarer Energien die Möglichkeit zur emissionsfreien
Mobilität bieten. Ein BEV mit Strom aus erneuerbaren Energien
(„Windstrom“) zeigt bezüglich Effizienz und GHG-Emissionen die
besten Werte. Bei einem FCEV („Windstrom“) schlägt zwar ein höherer
Primärenergieverbrauch zu Buche, es werden aber ebenfalls
fast keine Treibhausgase emittiert. Beide elektrischen Antriebskonzepte
eignen sich damit für eine nachhaltige Mobilität und ergänzen
sich durch ihre unterschiedlichen Einsatzprofile (Kurzstrecke
im urbanen und Pendlerverkehr vs. Langstrecke und Schwerlastbzw.
öffentlicher Personentransport). Der Energieträger Wasserstoff
kann darüber hinaus im Zusammenspiel mit erneuerbaren
Energien weitere Vorteile nutzen. Eine Nutzung des derzeitigen
Strommixes für die Elektromobilität ist nicht sinnvoll und sorgt
sowohl bei BEVs, als auch bei FCEVs für schlechtere Effizienzketten
und teilweise sogar höhere CO2-Emissionen als Fahrzeuge
mit aktuellen Diesel-Verbrennungsmotoren.
Für eine zukünftige Tankstellen-Infrastruktur wird daraus gefolgert,
dass Wasserstoff für die Mobilität aus erneuerbaren Energien
stammen muss. Mit über 96 % wird derzeit jedoch der überwiegende
Anteil des weltweit benötigten Wasserstoffs in Raffinerien
aus fossilen Energieträgern wie Erdgas und Erdöl erzeugt (und
direkt vor Ort auch wieder verwendet). Größere Mengen fallen
zudem als Nebenprodukt in der Chlor-Alkali-Elektrolyse an. Verfahren
wie die Wasserelektrolyse oder Gewinnung aus Biomasse
spielen heutzutage nur eine untergeordnete Rolle in der Wasserstoff-Produktion.
KOPPELUNG MIT ERNEUERBAREN ENERGIEN
Der politische Wille zur Nutzung von Wasserstoff als speicherbarer
Sekundärenergieträger in Koppelung mit erneuerbaren Energiequellen
ist allgemein gegeben, wie u. a. die verschiedenen Förderinitiativen
von Bund und Ländern belegen. Wesentliches Argument
ist die leichte Speicherbarkeit regenerativer Energien in Form
eines chemisch stabilen Energieträgers ohne Selbstentladung.
Durch die hohe Energiedichte kann die Speicherung auch im
Megawatt-Maßstab erfolgen. Zudem lässt sich das hergestellte
Gas vielseitig in industriellen, thermischen und mobilen Anwendungen
nutzen.
In der aktuellen technologischen Diskussion wird vor allem die
Wasserstoff-Erzeugung über Elektrolyse aus Strom und Wasser
betrachtet. Als regelbarer Verbraucher erzeugt der Elektrolyseur
Wasserstoff in Zeiten eines marktseitigen Stromüberangebots.
Zur Stabilisierung der elektrischen Netze wird der Elektrolyseur
stromgeführt und kann bei Bedarf auch ganz vom Netz genommen
werden (Prinzip des verbraucherseitigen Lastmanagement, engl.:
Demand Side Management – DMS). Der hergestellte Wasserstoff
wird dann vor Ort für eine spätere Nutzung aufbereitet, komprimiert
und zwischengespeichert, evtl. mit CO2 in Methan umgewandelt
oder direkt in eine verfügbare (Erdgas-) Leitung eingespeist. Durch
die Möglichkeit des aktiven Lastmanagement und der Umwandlung
von elektrischer in chemische Energie durch modular anpassbare,
zentrale oder dezentrale Elektrolyseanlagen mit entsprechender
Betriebsführung können somit höhere Ausbauraten erneuerbarer
Energien und eine Entlastung der Stromnetze erreicht werden [4].
Allgemein wird dieser Ansatz in seinen verschiedenen Varianten
als „Power-to-Gas“-Konzept bezeichnet und derzeit in mehreren
Forschungs- und Demonstrationsvorhaben national und international
erprobt.
GRÜNER WASSERSTOFF
In diesem Zusammenhang wird häufig auch der Begriff des
„grünen“ oder „erneuerbaren“ Wasserstoffs definiert. Allerdings
existiert hierfür keine allgemein anerkannte Definition. Der Dachverband
European Renewable Energy Council (EREC) schlägt bspw.
vor, den Begriff grüner oder erneuerbarer Wasserstoff an die
Definition für erneuerbare Energieträger zu koppeln. Im TÜV Süd
Standard CMS 70 (Version 12/2011) [5] wird grüner Wasserstoff als
Wasserstoff definiert, welcher „...aus erneuerbaren Energien oder/
und Abfall sowie Reststoffen gemäß diesem Standard...“
hergestellt ist. Die Diskussion, welche Erzeugungsformen und Herstellungspfade
„grün“ sind, ist also als umfangreich und komplex
zu bewerten und kann an dieser Stelle nicht abschließend behandelt
werden. Vereinfacht bedeutet in dieser Studie die Bezeichnung
grüner Wasserstoff einen aus erneuerbaren Energiequellen und
CO2-neutral hergestellten, aufbereiteten Wasserstoff, ohne Berücksichtigung
notwendiger Verteilungsverluste.
Eine besondere Wasserstoff-Quelle ist der oben erwähnte Nebenprodukt-Wasserstoff,
der bei chemischen Prozessen anfällt und
dann häufig für thermische Prozesse eingesetzt wird. Die Verwendung
im Rahmen der Mobilität ist sinnvoll, zählt allerdings nicht als
grüner Wasserstoff.
Die Technologien zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff
sind prinzipiell vorhanden, zum großen Teil marktreif und bereits in
diversen Demonstratoren weltweit erprobt. Auf die verschiedenen
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