Wasserstofftechnologien (eBook)

Inhaltsverzeichnis 5
1 Der Stoff, aus dem die Zukunft ist 14
1.1 Einleitung: Wasserstoff als Teil des Lebens 14
1.2 Wissenschaftliche Entdeckung und wirtschaftliche Nutzung 15
1.3 Wasserstoff als Energieträger 16
1.4 Perspektiven der Wasserstofftechnologien 17
2 In der Wasserstoffwirtschaft liegen viele Chancen 19
2.1 Wasserstoffnutzung heute und morgen 19
2.2 Wasserstoffmobilität als Problemlöser und Hebel 21
2.3 Eine klimaneutrale Industrie und ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf 23
2.4 Sektorkopplung – die nächste Phase der Energiewende 25
2.5 Deutschlands Platz in einer H2-Weltwirtschaft 27
2.6 Ausblick 29
Literatur 30
3 Potenziale einer Wasserstoffwirtschaft aus wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Perspektive 32
3.1 Wirtschaftliche Relevanz von Wasserstoff 33
3.2 Wertschöpfungspotenziale für die deutsche Industrie 34
3.3 Beitrag von Wasserstoff zur Erreichung von Klima- und Umweltzielen 40
3.4 Akzeptanz von Wasserstoff in der Gesellschaft 42
3.5 Nachfragepotenziale von Wasserstoff und wirtschaftliche Situation 46
Literatur 60
4 Einsatz von Wasserstofftechnologien im Energiesystem 63
4.1 Einleitung 64
4.2 Die Rolle von Wasserstoff und synthetischen Energieträgern im Energiesystem bis 2050 66
4.3 Regionale Aspekte von Angebot und Nachfrage: Mögliche Standorte der Elektrolyseure und der erneuerbaren Stromerzeugung 72
4.4 Direkte Wasserstofferzeugung aus Offshore-Windstrom aus europäischer Sicht 74
4.5 Anforderungen an das Übertragungsnetz in Deutschland 80
4.6 Fazit 88
Literatur 90
5 Einsatz von Wasserstofftechnologien in der Industrie 92
5.1 Stoffliche Nutzung von H2: Stahlindustrie 93
5.2 Stoffliche Nutzung von H2: Chemische Industrie 108
5.3 Industrien mit unvermeidbarem CO2-Anfall als zukünftige Rohstoffquelle 118
5.4 Energetische Nutzung von Wasserstoff in der Industrie 119
5.5 Einsatz von Wasserstoff in der Keramikindustrie 122
5.6 Ausblick 124
Literatur 126
6 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Mobilität und Transport 131
6.1 Einleitung 132
6.2 Wasserstofftechnologien für den Antriebsstrang 133
6.3 Synthetische Wasserstoffträger 139
6.4 Infrastruktur für H2-Technologien – Wasserstofftankstellen 147
6.5 Diskussion nach Mobilitätssektoren 148
Literatur 159
7 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Gebäuden 162
7.1 Anwendungsfälle und systemische Integration 162
7.2 Gebäude und Wärmeerzeuger – Bestand und Entwicklung 165
7.3 Wärmeerzeuger – Dezentrale Lösungen 168
7.4 Wasserstoff in Quartieren 170
7.5 Wasserstoff in Gasnetzen – Beimischung und Umstellung 171
7.6 Kosten und Wirtschaftlichkeit einer H2-basierten dezentralen Wärmeversorgung 174
Literatur 178
8 Wasserstoffinfrastrukturen – Netze und Speicher 181
8.1 Einleitung 182
8.2 Aufbau von Wasserstoffnetzinfrastrukturen 186
8.3 Transformation von H2-Inseln und H2-Tälern zu zusammenhängenden Netzen 191
8.4 Anforderungen an die Transformation von Infrastrukturkomponenten 194
8.5 Welche Herausforderungen und Lösungen ergeben sich für den Betrieb der Infrastrukturen? 198
8.6 Optionen geologischer Speicher 202
8.7 Weitere Speicheroptionen 205
Literatur 208
9 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren 213
9.1 Verfahren zur Wasserstofferzeugung 214
9.2 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse 217
9.3 Weitere innovative Verfahren zur Wasserstofferzeugung 247
9.4 Zusammenfassung und Ausblick 256
Literatur 257
10 Brennstoffzellen-Technologien 265
10.1 Einleitung 265
10.2 Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen 269
10.3 Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen 279
10.4 Direktmethanol-Brennstoffzellen 284
10.5 Alkalische Brennstoffzellen 286
10.6 Oxidkeramische Brennstoffzellen 287
10.7 Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen 296
Literatur 301
11 Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept 303
11.1 Brennstoffzellen 303
11.2 Elektrolyseur 325
Literatur 335
12 Standardisierung, Tests und Zertifizierung 337
12.1 Bedeutung der Standardisierung für die Wasserstofftechnologien 338
12.2 Übersicht zu Standardisierung, Akteuren und Prozessen 339
12.3 Existierende Normen im Bereich der Wasserstofftechnologien 344
12.4 Anwendungsbeispiele 350
Literatur 355
13 Unfallsicherheit und Lebensdauer – Materialien 357
13.1 Motivation: Wasserstoff als Energieträger 358
13.2 Unfallsicherheit und Lebensdauer: Hydrogen Embrittlement 361
13.3 Materialien und Mechanismen: Stahlwerkstoffe 362
13.4 Experimentelle Materialprüfung und theoretische Materialmodellierung 365
13.5 Diskussion: Hydrogen Readiness 369
Literatur 371
14 Sensorik und Sicherheit 373
14.1 Einleitung 374
14.2 Herausforderungen 376
14.3 H2-Sensortechnologien und Anwendungen 383
14.4 Sensoren für die zerstörungsfreie Prüfung 398
14.5 Zusammenfassung und Ausblick 404
Literatur 405
15 Digitalisierung und Simulation von Wasserstofftechnologien 409
15.1 Einleitung und Übersicht 410
15.2 Zukünftige Wasserstoffbedarfe und Integration in Energiemärkte 411
15.3 Modellierung und Simulation von Wasserstoff-Pipelines 415
15.4 Integration in verfahrenstechnische Prozesse 417
15.5 Optimiertes Stack-Design 421
15.6 Skalierung und Flexibilisierung durch Digitalisierung 424
15.7 Simulationsgestützte Gestaltung sicherer Wasserstoffinfrastrukturen 427
Literatur 429
16 Die internationale Dimension der Wasserstofftechnologien im Energiesystem 432
16.1 Relevanz von grünem Wasserstoff 433
16.2 Internationale Wasserstoffwirtschaft 434
16.3 Wasserstoffstrategien und -Roadmaps 436
16.4 Antreiber einer Wasserstoffwirtschaft 438
16.5 Internationaler Handel und Partnerschaften 439
16.6 Rahmenbedingungen und Designelemente für den Import von grünem Wasserstoff und Syntheseprodukten 441
16.7 Globale Erzeugungspotenziale für grünen Wasserstoff und synthetische Brenn- und Kraftstoffe 445
16.8 Schlussfolgerungen 453
Literatur 454
17 Ausblick und Perspektiven der Wasserstofftechnologien 457
17.1 Einleitung 458
17.2 Offshore-Wasserstoffproduktion – Wege zur Deckung zukünftiger Wasserstoffbedarfe 460
17.3 Der Weg der chemischen Grundstoffindustrie zur Klimaneutralität 466
17.4 Evolutionäre Fertigungstechnologien für Elektrolyseure 476
17.5 Handlungsoptionen für die Entwicklung einer systemischen Roadmap zur fundamentalen Skalierung der Elektrolyseurproduktion 478
Literatur 480
Glossar 485