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

Kapitel 3
H2-Erzeugung
Anlieferung
Speicherung
Befüllung
Erdgas u. a.
Reformierung/
POX
LH2-Trailer
LH2-Speicherung
CGH2-Betankung
Zentrale Erzeugung (Off-site)
Elektr. Energie
Elektrolyse
Hochdruck
Speicher- und
kompressorlose
CGH2-Tankstelle
Erzeugungs- und Speicherungspfade
Pipeline
Biomasse
Vergasung/
Reformierung
Niederdruck
Industrie
Nebenprodukt
CGH2-Trailer
Dezentrale Erzeugung (On-site)
Erdgas/LPG
Reformierung
CGH2-Speicherung
Booster-Betankung
Elektr. Energie
Elektrolyse
CGH2-Speicherung
Kaskaden-Betankung
weise geringen Zelltemperaturen zwischen ca. 50 °C und 90 °C.
Die Hochtemperatur- oder auch Dampfelektrolyse ist noch nicht
verfügbar, sondern befindet sich im Stadium der Material- und
Zellentwicklung.
Vor allem die alkalische Elektrolyse ist ein seit über 100 Jahren
genutztes industrielles Verfahren, es stehen Elektrolysesysteme in
einem breiten Leistungsbereich zur Verfügung. Die Membran- oder
auch PEM-Elektrolyse wird aktuell vor allem im kleineren Leistungsbereich
eingesetzt. Da das Verfahren mit einer höheren Dynamik
und bei höheren Drücken eingesetzt werden kann, gibt es z. Zt.
Bestrebungen, dieses Verfahren in größere Leistungsklassen
aufzuskalieren.
Neben der Art des Verfahrens kann auch zwischen zentralen und
dezentralen Elektrolyse-Einheiten unterschieden werden. Die zentrale
(Off-site-) Herstellung von Wasserstoff bietet gegenüber der
dezentralen On-site-Produktion den Vorteil, dass aufgrund der
Anlagengröße höhere Wirkungsgrade erreicht werden können.
Vergleicht man kleine Elektrolyseanlagen mit einer Anlagengröße
von bspw. 30 Nm³/h mit einer Elektrolyseanlage, welche nominell
250 Nm³/h (entspricht 530 kg/d) Wasserstoff erzeugt, können deutlich
höhere Systemwirkungsgrade erzielt werden [22]. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass der Anteil der peripheren Verbraucher am
Gesamtverbrauch mit der Größe der Anlage abnimmt. Als Beispiel
der zentralen Wasserstoff-Produktion sei hier das Hybridkraftwerk
von Enertrag in Prenzlau angeführt. In diesem Projekt wird aus
überschüssigem Windstrom Wasserstoff hergestellt, welcher verdichtet
in einem CGH2-Trailer an eine TOTAL-Tankstelle in Berlin geliefert
wird [23].
Abbildung 9: Systematik der Tankstellenkonzepte
WASSERSTOFF-ERZEUGUNG: BIOMASSE
lich der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern
[20]. Bei der Dampfreformierung handelt es sich um eine endotherme
Reaktion, welche unter Anwesenheit von Nickel/Keramik-
Katalysatoren abläuft [21]. Die Kohlenwasserstoffe reagieren mit
dem Wasserdampf zu einem wasserstoffreichen Synthesegas,
welches jedoch noch einen hohen Anteil an Kohlenstoffmonoxid
besitzt. Zur Steigerung der Wasserstoff-Ausbeute kann das entstehende
Kohlenmonoxid in einer nachfolgenden Shift-Reaktion zu
Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt werden [21]. Zur
Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung sind grundsätzlich
Kohlenwasserstoffe mit hohem Anteil an Wasserstoff als
Ausgangsstoff geeignet. Bisher im Mobilitätskontext verwendete
Ausgangsstoffe für die Reformierung sind Biogas und Glycerin
(siehe Linde-Anlage in Leuna) für grünen Wasserstoff, sowie LPG
und Erdgas für Wasserstoff aus konventionellen Kraftstoffen.
Ein weiteres bedeutendes Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff
mit einem Marktanteil von etwa 25 Prozent basiert auf der partiellen
Oxidation (POX). Unter partieller Oxidation versteht man die
thermische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff zu
Synthesegas. Dabei sind Prozesstemperaturen von etwa 1300 °C
erforderlich [21]. Im Gegensatz zur Dampfreformierung wird dem
Reformierungsprozess bei der partiellen Oxidation kein Wasserdampf
zugeführt. Weiterhin handelt es sich bei der partiellen Oxidation
um ein exothermes Verfahren, wodurch es keines komplexen
Wärmereaktors bedarf. Das Verhältnis von erzeugtem Wasserstoff
und Kohlenstoffmonoxid ist bei diesem Verfahren geringer als bei
der Dampfreformierung. Dies hat zur Folge, dass größere Reaktoren
für die Shift-Reaktion notwendig sind [21]. Dieses Verfahren der
Wasserstoff-Herstellung lässt sich auch mit Schweröl und Kohle
betreiben.
WASSERSTOFF-ERZEUGUNG: ELEKTROLYSE
Die Wasserstoff-Erzeugung durch elektrolytische Wasserspaltung
mit Hilfe von elektrischer Energie wird zur zukünftigen Deckung des
Wasserstoffbedarfs als wichtiges Verfahren angesehen, siehe dazu
auch Kapitel 2.1. Industriell verfügbar sind heute die alkalische
Elektrolyse und die Membranelektrolyse, welche mit einem sauren
Festelektrolyten arbeitet. Beide Verfahren arbeiten bei vergleichs-
Abbildung 10: Elektrolysestack – Endplatte (Quelle: NEL Hydrogen)
Wasserstoff als flexibler Energieträger kann prinzipiell auch über
diverse Verfahren aus Biomasse erzeugt werden. Die energetische
Biomassenutzung zur Herstellung von Kraftstoffen der sogenannten
ersten Generation erfolgt aus zucker- oder ölhaltiger Biomasse.
Diese Eigenschaften treffen häufig auf Pflanzen zu, welche auch
als Nahrungs- und Futtermittel dienen und führen dadurch zur aktuellen
„Teller-Tank-Debatte“. Hier ist mit ähnlichen Akzeptanzproblemen
wie bei der Beimischung von Ethanol im Otto-Kraftstoff zu
rechnen. Kraftstoffe der zweiten Generation hingegen werden aus
lignocelluloseartiger Biomasse oder organischen Rest- und Abfallstoffen
hergestellt, wodurch sie keine direkte Konkurrenz zu
Lebensmitteln hervorrufen. Für die Biomasse-zu-Wasserstoff-
Konversion stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, von
denen hier die wichtigsten genannt werden sollen:
Glycerin-Reformierung: Linde wandelt am Standort Leuna einen
Teil der bei der Biodiesel-Erzeugung entstandenen Glycerin-Abfälle
über Dampfreformierung in Wasserstoff um. Derzeit handelt es sich
um eine Pilotanlage, die aber Potenzial für Ausbau und Optimierung
bietet. Da der Biodiesel jedoch hauptsächlich aus Pflanzenölen hergestellt
wird, zählt er zu den Kraftstoffen der ersten Generation und
steht somit in direkter Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Auch wenn
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