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Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X

Buchbeitrag Springer „Wasserstoff“

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Book cover Wasserstoff und Brennstoffzelle

Zusammenfassung

Die globalen technischen Potenziale zur erneuerbaren Stromproduktion übertreffen bei weitem die heutige Energienachfrage. Die Gestehungskosten für erneuerbaren Strom sind in den vergangenen Jahren signifikant gesunken; weitere Kostendegressionen sowie steigende Wirtschaftlichkeit gegenüber fossiler Stromerzeugung sind zu erwarten. In einer nachhaltigen Welt mit 100 % erneuerbarer Energienutzung wird daher erneuerbarer Strom, insbesondere aus Wind- und Solarenergie, zur dominierenden Primärenergie. Aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Kraftstoffe ermöglichen eine Energiewende im Verkehr auch bei Verkehrsmodi mit hohen Leistungs- und Energiebedarfen wie Flugzeug und Schiff. Mit Blick auf eine langfristig nahezu vollständige Dekarbonisierung der Ressourcen- und Energiebasis sind aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Rohstoffe zukünftig auch in der Industrie (z. B. Stahl) und der Chemie (z. B. Basischemikalien) denkbar. Der Herstellung und Speicherung von PtX kommt dabei eine Schlüsselrolle für eine gelungene Integration der hierfür notwendigen sehr großen Mengen an (fluktuierendem) erneuerbaren Strom zu. Schnittstelle zwischen EE-Stromerzeugung und PtX-Herstellung ist dabei die Elektrolyse. Der wesentliche Beitrag dieses Kapitels besteht daher darin, die wichtigsten PtX-Pfade, nämlich Power-to-Hydrogen, Power-to-Methane und Power-to-Liquids hinsichtlich ihrer technologischen Komponenten, Anwendungen und Potenziale zu charakterisieren und die technisch-ökonomische Performance am Beispiel von PtX-Kraftstoffen im Pkw zu vergleichen. Auch systemische Aspekte von Wasserstoff als verbindendes Element zwischen den ausgewählten PtX-Pfaden werden näher beleuchtet.

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Notes

  1. 1.

    z. B. in hochintegrierten Prozessen der Stahlindustrie.

  2. 2.

    Urdorf, Schweiz: Druckspiel Röhrenspeicher [15].

  3. 3.

    Heute werden größere Mengen an CO2 in der Regel in flüssiger Form gespeichert. Ein CO2-Speicher ist erforderlich zur zeitlichen Entkopplung des Betriebs z. B. einer Biogasaufbereitungsanlage vom Betrieb der PtCH4-Anlage, wenn das CO2-Potenzial aus der konzentrierten CO2-Quelle möglichst vollständig ausgeschöpft werden soll.

  4. 4.

    ASTM D7566: Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons.

  5. 5.

    Der Wirkungsgrad von fossilen Kraftstoffen geht gegen Null, wenn man die Gesamtkette Solarenergie => Biomassebildung => Umwandlung zu Öl/Erdgas/Kohle über Jahrmillionen betrachtet.

  6. 6.

    Die für die Herstellung der Fahrzeuge benötigte Energie wurde dabei nicht berücksichtigt. Erste Untersuchungen dazu liegen bereits vor [47, 48], sind im Hinblick auf künftige Technologieentwicklungen jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet.

  7. 7.

    Sonderfälle in der Flächenbetrachtung stellen biogene Rest- und Abfallstoffe oder PV-Anlagen an Wänden und auf Dächern dar. Auch diese haben Flächenbedarfe, die je nach Fragestellung und Betrachtungsweise jedoch als „eh da“ Flächen mit geringer Nutzungskonkurrenz angesehen werden können. Die technischen Verfügbarkeitspotenziale sind jedoch insbesondere bei biogenen Rest- und Abfallstoffen vergleichsweise gering gegenüber der heutigen Kraftstoffnachfrage im Verkehr.

  8. 8.

    Der Wirkungsgrad „Solar-zu-Biomasse“ ist bei der Fotosynthese typischerweise < 1 %. Biologische Prozesse laufen stabil, wenn sie hinreichend robust sind, d. h. nicht notwendigerweise effizient. Das liegt daran, dass Regelkreise mit hoher Effizienz typischerweise weniger robust sind, da das System dann näher an seinen Stabilitätsgrenzen operiert bzw. als Teil in einem größeren Systemzusammenhang sich ggf. seiner eigenen Grundlagen beraubt.

  9. 9.

    Zum Vergleich: Der Importpreis für Rohöl lag im März 2012 bei rund 125 US$ je Fass und im Jahresmittel 2012 rund 112 US$ je Fass. Bis 2015 hat sich dann der durchschnittliche Importpreis halbiert [55].

  10. 10.

    Die aber immer noch höher ist als beispielsweise von Wärmekraftwerken.

  11. 11.

    Keine Begünstigung von PtX-Anlagen als Energiespeicheranlagen; abgabenbehaftete Einstufung als Letztverbrauchereinrichtung; keine Modelle zur Anrechnung flexibel steigenden erneuerbaren Stromeinsatzes; etc.

Abbreviations

AEL:

Alkalische Elektrolyse

CO:

Kohlenmonoxid

CO2 :

Kohlenstoffdioxid

EE:

Erneuerbare Elektrizität

FT:

Fischer-Tropsch

gCO2eq :

Gramm CO2-Äquivalente

Hi :

Unterer Heizwert

Hs :

Oberer Heizwert

HT:

Hochtemperatur

HTEL:

Hochtemperaturelektrolyse(ur)

k. A.:

keine Angabe

kWh:

Kilowattstunde

MEA:

Mono-Ethanol-Amin (Waschmittel für die Extraktion von CO2 aus der Luft)

MJ:

Megajoule (1 W = 3,6 J)

MW:

Megawatt (1 MW = 1.000.000 W)

NG:

Natural Gas (Erdgas)

NT:

Niedertemperatur

PEM:

Polymermembran (Technologiebasis für Elektrolyse und Brennstoffzelle)

PEMEL:

Polymermembranelektrolyse(ur)

PSA:

Pressure Swing Adsorption (Druckwechsel-Adsorption)

PtCh:

Power-to-Chemicals

PtCH4 :

Power-to-Methane

PtF:

Power-to-Fuel(s)

PtG:

Power-to-Gas

PtH:

Power-to-Heat

PtH2 :

Power-to-Hydrogen

PtL:

Power-to-Liquid(s)

PtX:

Power-to-Anything

RWGS:

Reverse Water Gas Shift (inverse Wasser-Gas-Reaktion, inverse CO-Shift)

SOEL:

Solid Oxide Electrolyser (Festoxid-/Hochtemperatur-Elektrolyseur)

SOFC:

Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-/Hochtemperatur-Brennstoffzelle)

TRL:

Technology Readiness Level

TSA:

Temperature Swing Adsorption (Temperaturwechsel-Adsorption)

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Authors and Affiliations

  1. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST), Daimlerstrasse 15, 85521, Ottobrunn, Deutschland

    Ulrich Bünger, Jan Michalski, Patrick Schmidt & Werner Weindorf

Authors
  1. Ulrich Bünger
    View author publications

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  2. Jan Michalski
    View author publications

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  3. Patrick Schmidt
    View author publications

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  4. Werner Weindorf
    View author publications

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Corresponding author

Correspondence to Ulrich Bünger .

Editor information

Editors and Affiliations

  1. Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband (DWV), Berlin, Germany

    Johannes Töpler

  2. Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband (DWV), Berlin, Germany

    Jochen Lehmann

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Bünger, U., Michalski, J., Schmidt, P., Weindorf, W. (2017). Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X. In: Töpler, J., Lehmann, J. (eds) Wasserstoff und Brennstoffzelle. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-53360-4_16

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