Wasserstoff und Brenn stoffzellen

www.H2BZ-Hessen.de

Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

www.energieland.hessen.de

Energietechnologie ohne Emissionen und mit hoher Effizienz

INHALT

GRUSSWORT ··············································································································· 2

EINLEITUNG ················································································································ 3

H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN ···· 3

IDEAL VERNETZT: H2BZ-INITIATIVE HESSEN UND HESSEN AGENTUR 4

Das Netzwerk von Kompetenzträgern und die Wirtschafts -

förderungsgesellschaft des Landes Hessen ······················································· 5

Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen ························································· 7

Tatkräftige Hilfe bei der Umsetzung von Wasserstoff- und

Brennstoffzellenprojekten ··················································································· 8

WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT 9

VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL 10

Die Brennstoffzelle – Sechs Typen und ihre Anwendungsgebiete ················· 10

Baldiger Markteintritt in speziellen Märkten ···················································· 16

Brennstoffzellen brauchen Peripherie-Geräte ·················································· 16

Energieträger für Brennstoffzellen ···································································· 17

Die Geschichte der Brennstoffzelle ··································································· 18

WASSERSTOFF: EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT 19

Wasserstoff-Herstellung: Emissionsfreier Energiekreislauf

durch Einsatz erneuerbarer Energien ······························································· 23

Verdichteter Wasserstoff – Speicherung und Transport ·································· 24

Tanken mit Sicherheit ·························································································· 25

Pipelines bringen Wasserstoff zum Verbraucher ············································· 26

Im Wasserstoff liegt die Zukunft ········································································ 27

GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE 28

Regenerative Energien fördern,

CO2-Ausstoß mindern, Umwelt entlasten ························································· 28

FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN ···························································· 30

PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG ····································································· 31

EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN ·················· 35

IMPRESSUM ·············································································································· 36

1

2

3

4

5

Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzel personen, die an Brenn stoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie imKompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de

1

LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER,

2

der Weg in ein neues Energiezeitalter ist umweltpoli-

tisch die größte Herausforderung, vor der wir stehen.

Darum wollen wir in Deutschland und ganz besonders

in Hessen neue Technologien fördern und Märkte ent-

wickeln, um neue Arbeitsplätze zu schaffen und Wert-

schöpfung zu erzielen. Eine sichere, klima- und

umweltfreundliche Energieversorgung bildet eine

wesentliche Grundlage für wirtschaftliches Handeln

und für eine prosperierende gesellschaftliche Entwick-

lung. Die hessische Energiepolitik hat sich konkrete

Ziele gesetzt: Wir wollen den Endenergieverbrauch

bei Strom und Wärme bis zum Jahr 2050 möglichst

zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien decken.

Dabei spielen Bio- und Windenergie eine maßgeb -

liche Rolle. Aber auch die Solarenergie, die Geother-

mie und Wasserstoff werden ihren Potenzialen ent-

sprechend ausgebaut. Um den CO2-Ausstoß zu ver-

ringern, müssen wir aber auch unsere Technologien

überdenken und offen sein für emissionsfreie Lösun-

gen. Dazu gehört die Wasserstoff- und Brennstoffzel-

lentechnologie. Wasserstoff als Energieträger kann

Fahrzeuge, Heizungs- und Kühlanlagen oder porta-

ble Geräte wie Handys und Laptops mit Energie ver-

sorgen. Brennstoffzellen wandeln diese Energie in

Strom um. Die führenden Autohersteller, in Hessen

zum Beispiel Opel, arbeiten schon seit einigen Jah-

ren an solchen Elektro-Antrieben, Testfahrzeuge sind

international im Einsatz. In mehreren Projekten arbei-

ten in Hessen Techniker und Forscher daran, die

Elektromobilität zu steigern und Fahrzeuge effizient

zu machen. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

technologie hat viele Vorteile, die sie effizient macht.

Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und

Wärme, arbeiten geräuschlos und – mit regenerativ

gewonnenem Wasserstoff betrieben – emissionsfrei.

Wasserstoff kann – mit erneuerbaren Energien herge-

stellt – als klimaneutraler Energiespeicher verwendet

werden. In Industrieparks fällt er als Nebenprodukt

chemischer Prozesse an, und dort, etwa im Industrie-

park Frankfurt-Höchst, wurden bereits Wasserstoff-

Tankstellen für Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik

eingerichtet.

Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,

Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Ver-

sorgung für Hausheizungsanlagen, stationäre Klein-

kraftwerke, autonome Energieversorgung zum Bei-

spiel von Krankenhäusern durch eigene Brennstoff-

zellen-Blockheizkraftwerke – das ist möglich und wird

derzeit auch in Hessen geplant oder schon getestet.

Speichertechnologien müssen weiter entwickelt wer-

den, etwa um nicht im Netz speicherbare Energie

später zu nutzen oder um regenerative Energien

auch für die Grundlast einsetzen zu können. Viele

Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in Hessen

treiben die Entwicklung der zukunftsträchtigen Was-

serstoff- und Brennstoffzellen-Technik voran, die

Nachfrage steigt und weitere energieintensive Berei-

che, wie die Informations- und Kommunikationstech-

nik, steigen in die Erprobung mit ein. Größere Stück-

zahlen werden Brennstoffzellen preiswerter und am

Markt bestandsfähig machen.

Mit der HA Hessen Agentur GmbH als zentrale Ein-

richtung der Wirtschaftsförderung in Hessen und der

H2BZ-Initiative Hessen e.V. ist das Land für die tech-

nischen Herausforderungen, vor denen die Wasser-

stoff- und Brennstoffzellen-Technologie steht, gut

positioniert.

Die vielen Vorteile und Synergie-Nutzungen von

wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen machen sie

für viele Anwendungen brauchbar. Lassen Sie sich

von dieser Technik inspirieren.

Lucia Puttrich

Hessische Ministerin für Umwelt, Energie,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

EINLEITUNG

H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN

Wie hängen Brennstoffzellentechnologie, Wasser-

stoffgewinnung durch erneuerbare Energien und

die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zusammen,

und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für

Hessen? Welche Arten von Brennstoffzellen es gibt,

welche Rolle Wasserstoff als Sekundärenergieträger

bei der Nutzung von erneuerbaren Energien in

Zukunft spielen kann, was das Thema Elektromobili-

tät mit der Brennstoffzelle zu tun hat, wie und warum

sich das Land Hessen und die Wasserstoff- und

Brennstoffzellen-Initiative Hessen – kurz H2BZ-Initia-

tive Hessen – für die Akteure in diesen Branchen

stark machen, erfahren Sie auf den nächsten Seiten.

Dazu finden Sie wichtige Fakten zum Thema Ener-

gie und Emissionen sowie beispielhafte Projekte

hessischer Akteure.

3

Wenn Sie die Technologie der Zukunft interessiert,

wenn Sie die Aktivitäten der Wasserstoff- und Brenn-

stoffzellen-Initiative Hessen unterstützen möchten,

wenn Sie mit Ihrem Unternehmen oder Ihrer Institu-

tion eine Chance in dieser einzigartig effizienten und

emissionsfreien Form der Energieerzeugung sehen,

werden Sie Mitglied und bringen Sie mit uns die

dringend notwendige Forschung und Entwicklung

sowie die Erprobung in der Praxis voran.

Welche Zielsetzung wir verfolgen, welche Projekte wir

schon realisiert haben und wie Sie der H2BZ-Initiative

Hessen beitreten können – das alles können Sie auf

unserer Internetseite www.H2BZ-Hessen.de nachle-

sen. Oder Sie sprechen uns persönlich an, wir freuen

uns auf Sie!

Dr. Joachim Wolf ist seit Mitte 2009 Vorstandsvorsitzender der H2BZ-Initiative Hessen e.V., dieer bereits in den Anfangsjahren als Mitglied des Beirates unterstützte.

Im Rahmen seiner über zwanzigjährigen Managementtätigkeit in internationalen Positionender Linde Group in München und Wiesbaden brachte er als Executive Director von „HydrogenSolutions“ die Aktivitäten von Linde auf diesem Gebiet zu einem weltweit einmaligen Standard.

Seit Anfang 2009 führt der promovierte Physiker sein eigenes Beratungsunternehmen flow-advice in München und Wiesbaden, das im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt,Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz auf dem Gebiet Wasserstoff- und Brennstoff-zellentechnologie die Projektanbahnung in Hessen vorantreibt.

Dr. Joachim Wolf war an der Entstehung der europäischen „Hydrogen & Fuel Cell TechnologyPlatform“ beteiligt und wirkte im Advisory-Council an der Programmrealisierung mit. Er ist Mit-begründer der European Hydrogen Association, im Deutschen Wasserstoff- und Brennstoff-zellenverband engagiert und war bis 2008 im Vorstand der National Hydrogen Association ofNorth America. Als einer der Impulsgeber und Initiatoren ist er seit Anbeginn auch Mitglieddes Beirates des „Nationalen Innovationsprogramm“ (NIP) der Bundesrepublik Deutschland.

Alina Stahlschmidtalina.stahlschmidt@hessen-agentur.de

Daniela Jardotdaniela.jardot@hessen-agentur.de

HA Hessen Agentur GmbHWasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Dr. Joachim WolfVorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen

Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative

joachim.wolf@H2BZ-Hessen.de

Alexander Bracht

HA Hessen Agentur GmbHBereichsleitung Technologie und Innovationalexander.bracht@hessen-agentur.de

Wasserstoff

Wasserdampf

Brennstoffzellen-„Stack“

individuelleBrennstoffzellen

Bipolarplatte(Kathode –)

Bipolarplatte(Anode +)

Elektrolyt (hier: Protonen-Austausch-Membran)

KatalysatorLuft

ElektronenProtonen

H2OH2

O2

IDEAL VERNETZT FÜR HESSEN DIE WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE HESSEN

UND DIE HESSEN AGENTUR

1

Das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

technologie gewinnt angesichts der Klimaschutzvor-

gaben und des wirkungsvollen Einsatzes erneuer -

barer Energien zunehmend an Bedeutung. Mit dieser

Technologie kann schon heute eine effiziente Ener-

gieversorgung in dezentralen stationären Einrichtun-

gen, als portable Technik oder mobil in Fahrzeugen

gewährleistet werden. Erste Anwendungen wurden

in diesen Bereichen bereits umgesetzt. Der CO2-Aus-

stoß kann beim Einsatz von Brennstoffzellen bei-

spielsweise in Fahrzeugen oder Blockheizkraftwerken

auf Null gesenkt werden. Brennstoffzellen in Elektro-

fahrzeugen erhöhen die Reichweite und ermög -

lichen ein einfaches und schnelles „Nachtanken“.

Die HA Hessen Agentur GmbH als Wirtschaftsförde-

rungseinrichtung des Landes Hessen und die H2BZ-

Initiative Hessen e.V. wollen insbesondere Unterneh-

men und Institutionen in Hessen fördern, aber auch

Synergien mit Partnern aus anderen Ländern schaf-

fen. Gemeinsam wollen sie helfen, das technologi-

sche Potenzial von Unternehmen, Institutionen und

Wissenschaft weiter zu entwickeln – und zwar im

Bereich der Brennstoffzelle und der hierfür geeigne-

ten innovativen Energieträger.

4

Energie aus Wasserstoff: Das Prinzip der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen bestehen aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen

Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem

die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern und andererseits Elektronen von der Anode zur Kathode

geleitet werden. Wird als Energieträger Wasserstoff eingesetzt, entsteht als Emission lediglich Wasser bzw. Wasser-

dampf. Den Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen nennt man Stack. (Quelle: Mercedes Benz)

InitiativeHessen

5

Aus Begeisterung für die Technologie und aus Grün-

den des Klimaschutzes haben sich im Jahr 2002 füh-

rende Vertreter der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

technologie aus Unternehmen, Hochschulen und

Institutionen in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

Initiative Hessen e.V. (H2BZ-Initiative Hessen) zusam-

mengeschlossen.

Den jeweiligen Entwicklungsbedarf zu erkennen, hat

besondere Bedeutung für neue Technologien. Dazu

gehört das Entwerfen von integrierenden Entwick-

lungs- und Pilotprojekten. Zu diesen selbst gesteck-

ten Zielen und Aufgaben der H2BZ-Initiative gehö-

ren daneben die Wissensverbreitung in Lehre und

Ausbildung sowie die Darstellung der Technologien

in der Öffentlichkeit. Mit ihren Aktivitäten leistet die

Initiative damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung

des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorts Hessen.

Sie ist somit der Mittelpunkt des Kompetenznetzwer-

kes in Hessen.

Die Aktivitäten der Initiative werden seit Beginn von

der Hessischen Landesregierung unterstützt. Mit der

Projektträgerschaft wurde die Hessen Agentur

betraut. Die Hessen Agentur ist die Wirtschafts -

förderungs gesellschaft des Landes Hessen. Sie hat

das Ziel, den Standort Hessen zu stärken und seine

Vorteile national und international bekannt zu

machen. Mit ihren vielfältigen Aktivitäten trägt sie

dazu bei, dass Hessen in zahlreichen Bereichen

seine internationale Spitzenposition behält. Unter-

nehmen profitieren von der breiten Kompetenz und

europaweiten Netz werken in unterschiedlichen tech-

nologischen Bereichen. Die Hessen Agentur knüpft

Kontakte zu Forschung und Entwicklung und hilft,

den Weg von der kreativen Idee zum wirtschaftlichen

Erfolg zu ebnen. Sie nutzt dabei ihre Kompetenzen

in zukunftsträchtigen Anwendungen und Forschun-

gen wie Nano-, Bio-, Umwelt-, Energie- sowie Infor -

ma tions- und Kommunikationstechnologie und

schafft im Rahmen des Technologietransfers Syner-

gien für Unternehmen und Wissenschaft.

Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks.

Quelle: Ticona GmbH

DAS NETZWERK VON KOMPETENZTRÄGERN UND DIE WIRTSCHAFTS -

FÖRDERUNGSGESELLSCHAFT DES LANDES HESSEN

6

Als „Think Tank“ identifiziert und bewertet sie

Zukunftstechnologien und gibt Impulse für die Bil-

dung von Netzwerken und Clustern. Die Hessen

Agentur fördert im Rahmen von Hessen ModellPro-

jekte die Zusammenarbeit von Unternehmen und

Hochschulen.

Standort- und Technologiemarketing im Bereich Was-

serstoff und Brennstoffzelle bedeutet zunächst die

Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissen-

schaft und die Begleitung auf dem Weg in den Markt.

Ihre maßgebliche Herausforderung sehen die Hessen

Agentur und die H2BZ-Initiative in der wirtschaftli-

chen Realisierung und Durchsetzung der Wasserstoff-

und Brennstoffzellentechnologie bis zu ihrer breiten

Anwendung.

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative wird

bei der Erfüllung ihrer Aufgaben durch die Hessen

Agentur im Auftrag des Hessischen Ministeriums für

Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucher-

schutz begleitet.

Der Beirat der H2BZ-Initiative Hessen

Die Aufgabe des Beirats ist die Beratung und Unter-

stützung des Vorstandes beim Erreichen der Vereins-

ziele. Seine Mitglieder sind führende Vertreter aus

der (Energie-) Wirtschaft und Forschungs einrich -

tungen sowie Wirtschaftsförderer. Sie werden auf die

Dauer von zwei Jahren berufen. Dem Beirat können

auch Nicht-Vereinsmitglieder angehören.

Die H2BZ-Initiative und die Hessen Agentur

a betreiben gemeinsam Technologiemarketing

regional, national und international im Kontext

der Wirtschafts- und Technologieförderung des

Landes Hessen und

a sind zentrale Ansprechpartner und Berater für

Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und

Brennstoffzellentechnologie in Hessen und

a führen Informationen aus Politik, Wirtschaft,

Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem

Thema zusammen.

a Gemeinsam initiieren sie den Technologie -

transfer auf diesem Technologiefeld, z.B.

durch die gezielte Nutzung der Medien,

Durchführung von Veranstaltungen usw.

a und unterstützen Unternehmen, die sich auf

diesem Gebiet betätigen.

a Die Initiative ist Mitglied des DWV, Deutscher

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband,

a sowie der Kompetenznetze Deutschland.

Die Kompetenznetze Deutschland des Bundes -

ministeriums für Wirtschaft und Technologie

(BMWi) vereinen die innovativsten und

leistungs stärksten nationalen Kompetenznetze

mit technologischer Ausrichtung.

a Die Hessen Agentur ist Ansprechpartner für die

Förderung im Rahmen von Hessen ModellProjekte

H2BZ-Initiative

HA HessenAgentur GmbHH2BZ-Technologie

H2BZ-Projekt GmbH

Land Hessen (HMUELV)

Mitglieder BeiratVorstand

H2BZ-Initiative

MMitglieder BeiratVorstand

H2BZ-Initiative

HA HA HA HHHessenAAAge tntu G Gr G bHbHmbHH2BZ-Technologie

HA HessenAgentur GmbHH2BZ-Technologie

H2BZ-Proj kekt GmbHH2BZ-Projektanbahnung

Land Hessen (HMUELV)Land Hessen (HMUELV)

Mitglieder BeiratVorstand

7

Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institutionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmenwächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie freimacht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die Technik mit Ihren Ideen voran!

Adam Opel AG

Adler, Susanne

Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH

Brennstoffzellen- und Batterie-AllianzBaden-Württemberg (BzA-BW)

DiWiTech-Ingenieurpraxis

ELT Elektrolyse Technik GmbH

emutec | mitte GmbH

EW Medien und Kongresse GmbH

Ewald, Dr. Rolf

Fahr, H.-Michael

Fraunhofer Institut für Windenergie und Energie -systemtechnik (IWES)

FVI– ForumVision Instandhaltunge.V.

Gaskatel GmbH

GHR Hochdruck-Reduziertechnik GmbH

Grabenhenrich, Dr. Heinz Bernd

HA Hessen Agentur GmbH

HIC Hansen Ingenieur Consult

Hochschule RheinMain

Hüttenberger ProduktionstechnikMartin GmbH

Hydrogen Energy GWL GmbH

IBR Ingenieurbüro Redlich und Partner GmbH

Infraserv GmbH & Co. Höchst KG

Ingenieurbüro Ralph Luh

Ingenieurbüro Wilhelm GmbH

ITM Power GmbH

Kämpny, Hans

Kippels, Anna-Kristin

Kippels, Heinz Alfred

Linde AG

Löhn, Helmut

Materials Valley e.V.

Matthes, Klaus

N2telligence GmbH

Nitschke, Hartmut

NRG Plan GmbH

Pfeiffer, Norbert

Proton Motor Fuel Cell GmbH

Reich, Jürgen

Renewable Energies Consulting Dr.-Ing. Rolf Schicke

Rittal GmbH Co. KG

Roth Industries GmbH & Co. KG

Rübsam, Helmut

Sandstede Technologie Consult.

Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG

Scheppat, Prof. Dr. Birgit

Schleussner, Dr. Dr. med. h.c. Hans

Schmelig, Willi

Schmidt-Walter, Prof. Dr. Heinz

sera ComPress GmbH

SMA Solar Technology AG

Stadtschule Schlüchtern

Süwag Energie AG

Technische Universität Darmstadt • Fachgebiet Erneuerbare Energien• Fachgebiet Thermische Verfahrenstechnik

TGZ GmbH, Kaisersesch

Ticona GmbH

Umicore AG & Co. KG

Umwelt Campus Birkenfeld, Fachhochschule Trier

Winfriedschule Fulda

Wolfram Brandes Management Consulting

Wolf, Joachim

Zarden, Peter

DIE MITGLIEDER DER H2BZ-INITIATIVE HESSEN

8

Vielen Unternehmen fehlen die personellen Res-

sourcen zu einer raschen Umsetzung innovativer Pro-

duktideen. Mittelständler haben oft nicht genügend

finanzielle Mittel, um aus Ideen Produkte zu machen

und sie auf den Markt zu bringen. Sie brauchen für

eine Produktentwicklung kompetente und zuverläs-

sige Partner, die sie technologisch begleiten. Seit

Anfang 2010 unterstützt daher die H2BZ Projektan-

bahnung bei der Konzeption, Vorbereitung und teil-

weise auch der Entwicklung von Projekten im

Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentech-

nologie. Sie hält wichtige Informationen über Mög-

lichkeiten der Projektförderung und Kontakte zu ent-

sprechenden Förderstellen bereit und kann helfen,

Projektskizzen anzufertigen und Förderanträge zu

schreiben. Die H2BZ Projektanbahnung wird vom

Hessischen Ministerium für Umwelt und Energie

über die Hessen Agentur finanziert und kann daher

Hessischen Unternehmen und Einrichtungen eine

kostenlose Erstberatung bieten.

TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON

WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN

Die H2BZ Projektanbahnung

Die H2BZ Projektanbahnung unterstützt in allen

Phasen der Projektrealisierung wie der Definition

des Projektes und der notwendigen Leistungen, der

Kalkulation der personellen und finanziellen Res-

sourcen. Sie hilft bei der Akquisition von Projektpart-

nern, dem Recherchieren der möglichen Förderpro-

gramme, dem Erstellen und Vorstellen einer Projekt-

skizze, der Organisation und Durchführung von

Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projekter-

gebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer

Markteinführung.

Mit der H2BZ Projektanbahnung wurde ein

Ansprechpartner geschaffen, der bei der prakti-

schen Umsetzung von Anwendungen für Wasserstoff

und Brennstoffzellen in Hessen unterstützt.

Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden,

kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge,

dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie

Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeiche-

rung.

Kontakt über die Geschäftsstelle

der H2BZ-Initiative Hessen

info@H2BZ-Hessen.de

www.H2BZ-Hessen.de

Unterstützung und Initiierung von Projekten

PEM-Brennstoffzellen-

Stacks bestehen aus

einzelnen Zellen, in

denen die Elektroden

durch eine Membran

getrennt werden.

Quelle: BASF

9

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

vereint Emissionsfreiheit und funktionale Vorteile in

der Energieerzeugung. Als Vorteile sind zu nennen:

a höchst effiziente Technik bei gleichzeitiger

Erzeugung von Strom und Wärme, Nutzung

von bis zu über 90 Prozent der im Energieträger

enthaltenen Energie

(zum Vergleich: Verbrennungsmotoren in

Blockheizkraftwerken bis über 80 Prozent)

a wichtige Komponente für unabhängige Systeme

zur dezentralen Energieversorgung

a sehr leise im Betrieb

a verursacht keine Vibrationen

a wartungsarm, da ohne bewegliche Teile

a flexibel einsetzbar in stationären (zum Beispiel

Blockheizkraftwerken), mobilen (Fahrzeuge) oder

portablen (Laptop, Handy etc.) Anwendungen

a gewährleistet Elektromobilität mit großen

Reichweiten und kurzen Betankungszeiten

a keine Emissionen außer Wasserdampf beim

Betrieb mit reinem Wasserstoff, kein Kohlen-

stoffdioxid, keine Stickoxide, keine Feinstäube

a klimaneutral, wenn bei der Erzeugung Strom

aus erneuerbaren Energien verwendet oder der

Wasserstoff aus Biomasse gewonnen wurde

a Wasserstoff verursacht keine Wasserbelastung

a Speichermedium für regenerative Energien

Die Energiewandlung für die vielfältigen Anwendun-

gen im Verkehr, der Versorgung der Haushalte und

der Wirtschaftsunternehmen ist heute in den meis-

ten Fällen noch mit erheblicher Belastung der

Umwelt verbunden. Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der

Verbrennung fossiler Brennstoffe – noch immer die

häufigste Form der Energiewandlung – verstärkt den

Treibhauseffekt und ist ein globales Problem. Lärm

und Abgase sorgen für erhebliche Konflikte, und

toxische Abwässer belasten die Umwelt.

WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT

2

Quelle: Linde

Quelle: vege – Fotolia.com

Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik

VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL3

10

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energie-

wandler, bestehend aus einer Vielzahl von Elektro-

denpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch

einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind.

Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Pro-

zess ab, bei dem einerseits die positiven Ionen von

der Anode zur Kathode wandern, andererseits

werden Elektronen über einen elektrischen Leiter

von der Anode zur Kathode geleitet. Außen wird

elektrische Leistung abgenommen – dieses Prinzip

haben sie gemeinsam mit Autobatterien bzw. Akku-

mulatoren. Der Elektrolyt besteht aus einer ionen-

leitenden Flüssigkeit oder einer Membran, einer

Karbonatschmelze, einer Säure, Lauge oder aus

einer ionenleitenden Keramik.

Eine Brennstoffzelle kann z. B. die im Wasserstoff

gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln.

Sie arbeitet verschleißfrei und lautlos. Bei einer

Batterie erschöpft sich die Leistung mit dem Verzehr

der Anode. Die Brennstoffzelle jedoch liefert unbe-

grenzt Strom, solange gasförmiger Brennstoff (Was-

serstoff) und Luft (Sauerstoff) von außen zugeführt

werden. Beide Stoffe reagieren zu Wasser, das als

Nebenprodukt anfällt. Brennstoffzellen liefern elek-

trischen Strom – elektrische Energie – und zusätzlich

nutzbare Wärme – thermische Energie.

Die Entwicklung der Brennstoffzelle ist noch nicht

abgeschlossen: Sie ist ein viel versprechender Ener-

giewandler, der gegenwärtig meist in Einzelexem-

plaren oder Kleinstserien angefertigt wird und des-

halb noch zu teuer in der Herstellung ist. In den

nächsten Jahren ist intensive Arbeit zur Verbesse-

rung der Lebensdauer, der Peripheriegeräte und zur

Senkung der Herstellungskosten erforderlich – zum

Beispiel durch die Optimierung der Produktionsver-

fahren. Dann kann die Brennstoffzelle mit den heuti-

gen Verbrennungsmotoren und Hausheizungen

konkurrieren.

Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in

der Art der verwendeten Elektrolyte unterscheiden.

Je höher die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle

ist, desto unempfindlicher sind die Katalysatoren

gegen Vergiftung und desto schneller läuft die elek-

trochemische Reaktion ab.

Im so genannten Stack, dem Stapel von Brennstoff-

zellen, kann jede technisch sinnvolle Spannung

durch Hintereinanderschalten von einzelnen Brenn-

stoffzellen erreicht werden.

DIE BRENNSTOFFZELLE – SECHS TYPEN UND IHRE ANWENDUNGS GEBIETE

Wasserdampf

Kühlung

Kathode (+)

Membran-Elektroden-Einheit

O2 (Luft)

Elektronen

Protonen

Elektroden mitKatalysatorschichtElektrolyt (PEM-Membran)

O2

H2

H2 (Wasserstoff)

Anode (-)

Funktionsprinzip einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle

11

Die alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Die AFC ist die klassische Brennstoffzelle. Kalilauge

dient als flüssiger Elektrolyt. Die Betriebstemperatur

liegt bei ca. 80°C; sie ist also eine Niedertempera-

tur-Brennstoffzelle und braucht zur Reaktion einen

Metall-Katalysator. Sie wird mit reinem Wasserstoff

betrieben. Wenn Luft als Sauerstoffträger benutzt

wird, muss ein Luftwäscher zur CO2-Entfernung vor-

geschaltet werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist

die Strom- und Wärme-Erzeugung für autarke Ver-

braucher, bei denen die Brennstoff-Effizienz ent-

scheidend ist: zum Beispiel in der Raumfahrt, in mili-

tärischen Verwendungen wie U-Booten und bei Ein-

sätzen in entlegenen Gebieten (Wetterstationen).

Brennstoffzelle: Typen und Merkmale

Bezeichnung Betriebs-temperatur

Elektrolyt Kraft- /Brennstoff

Anwendung

1 AFC Alkalische Brennstoffzelle 80°C Kalilauge Wasserstoff mobil (Raumfahrt)

2a LT-PEMFC

Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

80°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär,spez. Anwendungen

2b HT-PEMFC

Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

100–200°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär

3 DMFC Direktmethanol-Brennsoffzelle 70–90°C Festpolymer Methanol spez. Anwendungen

4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle 200°C Phosphorsäure Erdgas stationär

5 MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle 650°C Natrium- und Kaliumkarbonat

Erdgas, Biogas

stationär

6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle 1000°C Zirkonoxid Erdgas, Biogas

stationär

12

Die PEMFC wird auch Protonenaustauschmembran-

Brennstoffzelle (Proton Ex change Membran Fuel

Cell) ge nannt. Im Gegen satz zum alkalischen System

besteht hier der Elektrolyt aus einer ionenleitenden

Kunststoff-Folie, die durch Beschichtung gleichzeitig

auch Katalysatorträger, Diffusionsschicht, Elektro-

denträger und Separationswand zwischen den rea-

gierenden Gasen ist. Sie arbeitet zwischen 50 und

80°C (Niedertemperatur), eventuell bei einigen Bar

Druck (die Druckdifferenz zwischen den beiden

Menbranseiten ist relativ klein) und erreicht hohe

Leistungsdichten.

Die PEMFC eignet sich durch die modulare Bau-

weise, niedriges Leistungsgewicht und relativ gute

Kaltstart-Eigenschaften besonders für mobile An -

wendungen. Nachteilig sind der Regelungs bedarf

der Feuchtigkeit im Reaktionsraum und die Empfind-

lichkeit gegen CO im Anodengas.

Mit PEM-Brennstoffzellen sind die in der Öffentlich-

keit viel beachteten mobilen Anwendungen in PKW

(DaimIer, Opel, Volkswagen, Ford, Toyota etc.) und

in Bussen (DaimIer, MAN, Vossloh, Auwärter, Neo-

plan etc.) ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in

Demonstrationsprogrammen eingesetzt werden, um

ihre Alltagstauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittel-

klassefahrzeuge mit dieser Technologie erreichen

mit einer Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite

von ca. 400 bis 600 Kilometern, annehmbare Höchst-

geschwindigkeiten und haben ein gutes Beschleu-

nigungsvermögen. Durch kurze Betankungszeiten

gewährleistet die Technologie zudem eine alltags-

taugliche Elektromobilität.

Die PEMFC gilt als das KFZ-Antriebsaggregat im

Brennstoffzellenbereich. Hier gab es in den letzten

Jahren bedeutende Fortschritte in der Entwicklung.

Allerdings ist weitere Entwicklungsarbeit nötig, um

je nach Anwendung die Lebensdauer der Membran

weiter zu erhöhen und die notwendigen niedrigen

Fertigungskosten zu erreichen.

Neben den in Fahrzeugen und zur unterbrechungs-

freien Stromversorgung (USV) eingesetzten Nieder-

temperatur-PEM-Brennstoffzellen existieren darüber

hinaus auch Hochtemperatur-PEM-Zellen. Diese kön-

nen durch eine besonders widerstandsfähige PEM-

Folie bei einem Temperaturniveau von 200°C betrie-

ben werden. Damit ist die CO/CO2-Toleranz erhöht

worden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer

und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Concept BlueZERO – Elektromobilität für jeden Bedarf

Modulares Konzeptfür Elektromobilität:

• Batterie-elektrischer Antrieb(BlueZERO E-CELL)

• Brennstoffzellenantrieb(BlueZERO F-CELL)

• Batterie-eletrischer Antriebmit Range Extender(BlueZERO E-CELL PLUS)

Stadtverkehr Überlandverkehr Langstreckenverkehr

E-CELL

F-CELL

E-CELL PLUS

Quelle: Daimler

13

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der

heute in tragbaren Kunststoffkartuschen oder Tank-

patronen kompakt gespeichert angeboten wird. Die

DMFC arbeitet mit einem Kunststoff-Folien-Elektro-

lyten wie die PEMFC. Die Betriebstemperatur liegt

beim Betrieb mit flüssigem Methanol bei ca. 80°C;

der elektrische Wirkungsgrad liegt auf Zellebene bei

30 bis 40 Prozent, Systeme im Kleinleistungsbereich

erreichen 25 Prozent Gesamtwirkungsgrad vom Treib-

stoff Methanol zum Gleichstrom. Der Bedarf an Edel-

metall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch,

weshalb sich der kommerzielle Einsatz bisher nur im

Kleinleistungsbereich unterhalb 1kW durchgesetzt

hat.

DMFC-Produkte sind bereits seit einigen Jahren

erhältlich und werden z.B. unter dem Markennamen

EFOY für die Bordstromversorgung von Wohnmobi-

len vermarktet. DMFC-Systeme werden aber auch

im industriellen Einsatz als Energiequelle für den

Betrieb von stationären Sensoren und Kommuni-

kationseinrichtungen an Standorten ohne Netzan-

bindung eingesetzt. Weitere Anwendungen sind

portable und mobile Systeme, die Energie für einen

wochen- oder monatelangen autarken Einsatz mit-

führen. Bis heute wurden bereits mehr als 23.000

DMFC-Systeme verkauft und arbeiten als zuverläs-

sige Energiequelle beim Kunden.

Im Labor wird ein Aus-

waschtest durchgeführt,

durch den die chemische

Stabilität einer Membran

bestimmt werden kann:

Diese gibt Auskunft über

die Lebensdauer der

Membran-Elektroden-

Einheit (MEA). Die MEA

ist das Herzstück der

Brennstoffzelle. Hier

finden die chemischen

Reaktionen statt, die aus

dem Wasserstoff – also

dem Brennstoff – die

Energie herausholen.

Quelle: BASF Fuel Cell

Quelle: SFC Energy AG

14

Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)

Die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle,

die bei ca. 200°C arbeitet und einen elektrischen

Wirkungsgrad von 55 Prozent hat. Ihre Elektroden

sind Folien aus Kohlefasern, die den fein verteilten

Platinkatalysator tragen. Der Elektrolyt, Phosphor-

säure, ist als Gel auf einem Geflecht aus teflonge-

bundenem Siliziumkarbid fixiert. Die Nachteile der

PAFC sind ihre geringe Stromdichte und die lange

Anfahrzeit.

Neben dem eigentlichen Stack bilden der Reformer,

die Gasreinigung zur Beseitigung des CO2, der Wär-

metauscher und der elektrische Wechselrichter die

Systemkomponenten für eine mit Erdgas betriebene

PAFC. Dieser Brennstoffzellen-Typ ist technisch rela-

tiv weit entwickelt und als dezentrales Blockheizkraft-

werk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung internatio-

nal im Einsatz.

Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Mit 650°C Betriebstemperatur ist die MCFC eine

Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Abwärme

zur Dampferzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) aus-

gekoppelt wird bzw. zur Kälteerzeugung durch

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genutzt werden kann.

Wegen des hohen Temperatur-Niveaus muss kein

Reformer vorgeschaltet und auch stark kohlenstoff-

haltige Brennstoffe können verstromt werden. Der

Elektrolyt ist ein schmelzflüssiges Alkalikarbonat, das

hoch korrosiv ist und hohe Anforderungen an die

eingesetzten Werkstoffe stellt.

Auch dieser Brennstoffzellen-Typ wird aus modula-

ren Stackpaketen zu größeren Leistungsklassen auf-

gebaut und kann mit Erdgas, Grubengas, Biogas

sowie mit Klär- oder Deponiegas gespeist werden.

Die Reinigung der Brenngase kann zentral innerhalb

der Gesamtanlage erfolgen. Bereits bei kleineren

Leistungen (ab 200 kWeI) können im KWK-Betrieb

Strom und Dampf erzeugt werden, was diesen

Brennstoffzellentyp zur dezentralen Energieversor-

gung für Kommunen und Industriebetriebe interes-

sant macht. Etwa zwanzig MCFC-BHKW-Anlagen

sind inzwischen in unterschiedlichen Anwendungen

erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene Gase aus Ver-

gärungs- und Kläranlagen.

Ein Werk des Tognum-

Tochterunternehmens

MTU Friedrichshafen

GmbH wurde im Jahr 2008

mit Wärme und Strom aus

einem Brennstoffzellen-

Kraftwerk versorgt.

Quelle: MTU onsite energy

15

Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

Die SOFC funktioniert bei Temperaturen bis 1.000°C

und zeichnet sich durch einen festen Elektrolyten

(Zirkoniumoxid) aus, der bei hohen Temperaturen

Ionen leitet und die Reaktionsgase voneinander

trennt. Die SOFC wird in Platten- oder Röhrenform

gestaltet. Ihre Anwendung liegt im Bau von Block-

heizkraftwerken.

Die Zukunftskonzeption für große SOFCs wird in der

Kombination mit nachgeschalteter Dampfturbine

gesehen. Für kleine SOFCs bietet die Kombination

mit einer Mikrogasturbine gute Chancen. Brennstoff-

zellen dieses Typs werden zum Beispiel als Heiz -

geräte entwickelt.

Eine viel versprechende Form der SOFC ist die

Konzeption der Firma Hexis im Leistungsbereich

1 bis 10 kWel mit integriertem Heißwasserboiler für

den Einsatz als kompakte Strom- und Heizzentrale in

Ein- und Mehrfamilienhäusern, gespeist aus dem

Erdgasnetz.

Aufgrund des möglichen hohen elektrischen Wir-

kungsgrades (ca. 60Prozent) werden diese Systeme

auch als Stromerzeuger eingesetzt wie beispiels-

weise der „BlueGEN“ der Firma Ceramic Fuel Cells,

der von dem hessischen Unternehmen Sanevo ver-

trieben wird.

Deutsche Energieversorger haben das wirtschaft -

liche und umweltschonende Potenzial erkannt, das

die hocheffiziente Nutzung der Primärenergie Erd-

gas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in Verbindung

mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet, allerdings ist diese

Form der Energieerzeugung nicht CO2-neutral.

Diese Brennstoffzellen-Anwendung ist bereits relativ

marktnah und könnte in der Serienproduktion die für

einen breiten Markterfolg notwendige Kosten -

degression erfahren.

Am Leuchttisch werden aus

einer Membran und zwei

Elektroden die sogenannten

Membran-Elektroden-Einheiten

(MEAs) zusammengesetzt.

Quelle: BASF

Eine interessante Anwendung von Brennstoffzellen,

die einen baldigen Markteintritt verspricht, sind

Mini-Brennstoffzellen in PEM-Technik mit Brennstoff-

speichern für Methanol oder reinen Wasserstoff: Sie

sind ideale Stromquellen für elektronische Geräte

wie Laptops, Camcorder, MP3-Player oder Handys.

Batterien und Akkus ermöglichen oft nur relativ

kurze Betriebszeiten, bilden einen hohen Kostenfak-

tor und sind problematisch in der Entsorgung. Der

Ladeprozess von Akkus braucht erhebliche Zeit und

einen Strom anschluss. Mini-Brennstoffzellen mit

PEM-Technik, gespeist aus Wasserstoffspeichern

(Hydrid- oder Druckspeicher) oder mit DMCF-Tech-

nik aus Methanolpatronen, erlauben vielfach deut-

lich längere Betriebszeiten und schnellen Speicher-

wechsel und damit fast unbegrenzte Gerätenutzung

auch an Orten ohne Stromnetz.

Vergleichbare Vorteile bieten kleine PEM-Brennstoff-

zellen als Notstromaggregate im Bereich der unter-

brechungsfreien Stromversorgung (USV) für Rechen-

zentren oder in der Telekommunikation zum Beispiel

zur Versorgung von Funkmasten, wo sie lange Über-

brückungszeiten gewährleisten. Im Gegensatz zu

motorbetriebenen Aggregaten arbeiten sie ge -

räuschlos und vibrationsfrei. Dies ist besonders auf

Schiffen oder beim Camping interessant.

BALDIGER MARKTEINTRITT IN SPEZIELLEN MÄRKTEN

Der Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine

ist noch kein betriebsfähiger Motor, ebenso wenig

ist ein Brennstoffzellen-Stack ein einsatzfähiger

Energieerzeuger. Je nach System besteht ein

betriebsbereites Brennstoffzellenaggregat neben

dem Zellenstapel (Stack) aus der Steuerung, gege-

benenfalls notwendigen Nebengeräten zur Herstel-

lung von Wasserstoff oder Reinigung anderer Gase

und ggf. einem Wechselrichter. Letzterer macht aus

dem Gleichstrom der Brennstoffzelle erst Wechsel-

strom, sofern dieser in ein Netz eingespeist werden

soll. Außerdem gehören zum System Brennstoffzelle

noch Mess- und Regelgeräte, Brennstoffspeicher

und andere Hilfsaggregate.

Alle Teilkomponenten des Systems müssen auf den

Brennstoff, die Betriebstemperatur, den Elektrolyten,

die abzuführenden Wärmemengen sowie die mecha-

nischen und elektrischen Anforderungen des

Gesamtaggregats abgestimmt sein und vergleich-

bare Dauerstandfestigkeiten besitzen.

Die Kosten der Peripherie-Geräte sind mitbestim-

mend für die Gesamtkosten des betriebsbereiten

Aggregats – wie beim Verbrennungsmotor – und in

der Summe meist höher als die des reinen Stacks

(bzw. Zylinderblocks). Auch bei diesen Nebenaggre-

gaten besteht noch Entwicklungs-, Anpassungs- und

Erprobungsbedarf.

BRENNSTOFFZELLEN BRAUCHEN PERIPHERIE-GERÄTE

16

PEM-Brennstoffzellenstack

Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik

17

In den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (alkali-

sche, Polymer-Elektrolyt-Membran- und phosphor-

saure Brennstoffzelle) kommt nur reiner Wasserstoff

zum Einsatz. Wo dieser nicht zur Verfügung steht,

lässt er sich mit Hilfe von Reformern zum Beispiel aus

Erdgas erzeugen.

Die gegenwärtigen Feldversuche von Brennstoff -

zellen in Fahrzeugen werden überwiegend mit

Hochdruck-Wasserstoff durch geführt.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen können auch Koh-

lenwasserstoffe mit gewissen Verunreinigungen, wie

sie zum Beispiel in Klärgasen vorkommen, verbren-

nen. Sie werden mit Erdgas, LPG (Liquified Petro-

leum Gas) oder Biogas gespeist. Für den Einsatz von

Methanol, das in Erdgas- und in Erdölförderländern

in großen Mengen und zu niedrigen Preisen anfällt,

ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle be stimmt, die

sich besonders für den mobilen Einsatz eignen

würde. Logistisch ist Methanol ähnlich handhabbar

wie Benzin.

Der Preis der Brennstoffe wird im Wesentlichen

durch die vorgelagerten Energiewandlungsschritte /

Verarbeitungsstufen (fuel chain) bestimmt. Erdgas,

besonders für stationäre Anwendungen, ist der

Brennstoff mit der bereits heute breitesten Verfüg-

barkeit durch das dichte, bestehende Verteilungs-

netz.

ENERGIETRÄGER FÜR BRENNSTOFFZELLEN: WASSERSTOFF, ERDGAS,

LIQUIFIED PETROLEUM GAS, KOHLENWASSERSTOFFE, METHANOL

traiLH2 – eine mobile Betankungseinheit für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff

Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und

Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im

Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de

18

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde von Christian

Friedrich Schönbein, einem Schweizer Professor an

der Universität Basel, gefunden. Schönbein,

der in engem Kontakt mit Sir William

Grove stand, erkannte schon 1839,

dass chemische Energie direkt in

elektrische umgewandelt werden

kann. Aufbauend auf dieser Ent-

deckung erzeugte Grove in einem

galvanischen Bad durch Zusam-

menführung von Wasserstoff und

Sauerstoff in „kalter Verbrennung“,

das heißt ohne Flammenbildung,

elektrischen Strom. Die gefürchtete

Knallgasexplosion hat nicht stattge-

funden.

Die Wissenschaftler Ludwig Mond und Carl Langer

gaben dem Apparat 1889 den Namen „Fuel Cell“,

also „Brennstoffzelle“. Aber nicht die Brennstoffzelle,

deren günstigen elektrischen Wirkungsgrad man

schon früh erkannte, sondern der elektrische Gene-

rator, der auf dem 1866 von Siemens gefundenen

„Elektrodynamischen Prinzip“ beruhte, leitete in der

zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Zeitalter der

großtechnischen Stromerzeugung ein.

In Deutschland griff Prof. Eduard Justi 1951 an der

TU Braunschweig das Thema Brennstoffzelle auf und

legte mit Prof. August Winsel die Grundlagen der

alkalischen Brennstoffzelle. Winsel setzte ab 1961

die Arbeiten in der VARTA-Forschung in Kelkheim/

Hessen fort, wo eine Reihe praktischer Anwendun-

gen der alkalischen Brennstoffzelle (z. B. Gabelstap-

lerantriebe) verwirklicht wurde, ehe das Arbeitsge-

biet an die Firma Siemens abgegeben wurde.

Für die Raumfahrt entdeckte man vor 40 Jahren die

Brennstoffzelle und ihre Vorzüge wieder: eine leichte

und effiziente Strom- und Wärmequelle, deren „Abfall“

nur Wasser ist, das man den Astronauten sogar als

Trinkwasser gab. Im Gemini-Projekt der NASA sorgte

eine PEM-Zelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle) für

Strom und Wärme, während in den Apollo-Raumkap-

seln und den Mondfähren AFCs (Alkalische Brenn-

stoffzellen) diese Aufgaben erfüllten.

Aber erst Ereignisse in den siebziger Jahren sorgten

für ein umfassenderes Interesse: die Ölkrisen und das

neue Umweltbewusstsein. In den vergangenen 30 Jah -

ren ist deswegen in Europa, in den USA und Kanada

sowie in Japan von Wissenschaft und Wirtschaft mit

staatlicher Förderung viel in die Forschung und Ent-

wicklung der Brennstoffzelle investiert worden.

In Hessen stand die Wiege der industriellen Wasser-

stoff-Erzeugung und -Anwendung: 1896 nahm der

Chemiker Dr. Ignaz Stroof in der Chemischen Fabrik

Griesheim (bei Frankfurt) die erste Chloralkali-Elek-

trolyse der Welt in Betrieb, die Chlor, Natronlauge

und Wasserstoff in großen Mengen produzieren

konnte. Eine Einsatzmöglichkeit war Wasserstoff als

Füllstoff für die damals neuen Zeppeline: Man füllte

ihn mit 150 bar in Stahlflaschen und brachte ihn zu

den Startplätzen.

Die erste industrielle Anwendung des neuen Ener-

gieträgers Wasserstoff entwickelte 1903 der Inge-

nieur Adolf Wiss im Griesheimer Werk mit seinem

Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zum Schweißen. Dies

war der Beginn einer neuen Technologie zum Ver-

binden und Schneiden von Metallen, der Autogen-

technik, die die Metallverarbeitung revolutionierte.

Die Wiege der Wasserstoff-Erzeugung stand in Hessen

DIE GESCHICHTE DER BRENNSTOFFZELLE

Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie

19

Wasserstoff ist eine so genannte Sekundär-Energie.

Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man Energie auf-

wenden. Einmal mittels erneuerbarer Energien,

Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt, ist seine Anwen-

dungsbreite, seine Umwandlungsfähigkeit und seine

Umweltverträglichkeit allen anderen Energieträgern

überlegen. Er ist als Brennstoff für Brennstoffzellen zur

schadstofffreien Erzeugung von Elektrizität und

Wärme geeignet – und das ist das große Potenzial der

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie.

Wasserstoff findet sich in nahezu unbegrenzten

Mengen auf der Erde, allerdings stets chemisch mit

anderen Elementen verbunden. In der überwiegen-

den und nutzbaren Form liegt er gebunden an

Sauerstoff in Form von Wasser vor.

Unter Standard-Bedingungen von Druck und Tem-

peratur ist Wasserstoff das leichteste Gas. Er ist

geruchlos und unsichtbar. Im Gemisch mit Luft ist er

bei Konzentrationen von 4 bis 75 Volumenprozent

zündfähig, aber nicht selbstentzündlich. Wasserstoff

ist ungiftig, nicht korrosiv und nicht Wasser gefähr-

dend.

Ein Kilogramm Wasserstoff enthält soviel Energie wie

2,5 Kilogramm Benzin. Er ist allerdings spezifisch

leicht und beansprucht deshalb bei gleichem Ener-

gieinhalt ein viermal so großes Speichervolumen.

Damit weist er immer noch eine deutlich höhere Ener-

giedichte auf als alle bekannten Batteriesysteme.

WASSERSTOFF4

EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT UND VOLLER ENERGIE

Quelle: dreamstime

20

Wasserstoff wird unter Einsatz elektrischer Energie

aus Wasser (Elektrolyse) oder aus Kohlenwasserstof-

fen hergestellt. Die Herstellung aus Kohlenwasser-

stoffen geschieht nach bewährten Verfahren: Mittels

Dampfreformierung oder durch partielle Oxidation

von Kohlenwasserstoffen produziert man den größ-

ten Teil des weltweit erzeugten Wasserstoffs und

verbraucht ihn am Ort der Erzeugung in anderen

industriellen Prozessen. Bisher sind nur etwa fünf

Prozent des Wasserstoffs Handelsware. Der größte

Teil wird für die Hydrierung von Kohlenwasserstof-

fen, für die Härtung von Fetten oder für die Vergü-

tung von Metallen eingesetzt. Die zukunftsfähige

und emissionsfreie Form bietet die Gewinnung von

Wasserstoff aus Biogas oder im Elektrolyse-Verfah-

ren. Die Voraussetzung ist, dass der benötigte Strom

aus erneuerbaren Quellen kommt.

Wenn Strom erzeugt ist, muss er verbraucht werden.

Nicht verbrauchter Strom kann mittels Elektrolyse in

Wasserstoff umgesetzt werden. Hier liegt einer der

großen Vorteile der Wasserstoff-Technologie: Strom-

spitzen bei zum Teil stark fluktuierenden Energie-

wandlungssystemen wie Wind- oder Solarenergie

können zur Wasserstoffproduktion und -speicherung

eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann in der

Brennstoffzelle bei Bedarf in Strom und Wärme

umgewandelt werden. Wenn Wasserstoff seine Ener-

gie in der Hausheizung, im Automotor oder im Klein-

kraftwerk abgegeben hat, fällt er aufgrund der Reak-

tion mit Sauerstoff als reines Wasser beim Verbrau-

cher an.

Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind mit speziellen Tanks ausgerüstet, die wie ein Benzintank an Zapfsäulen gefüllt werden können.

Quelle: Adam Opel AG

Gleichspannungswandler

Steuergerät

Leistungsbatterie

Druckwasserstoff-Speichertank

WasserstoffzuführungElektrischer Antriebsmotor

Leistungsverteilung

Kühlmittelbehälter

Wasserstoff-Einfüllstutzen

Kühler

Brennstoffzellen-Stack

Luftfilter

21

Weltweit werden pro Jahr ca. 520 Mrd. Kubikmeter

Wasserstoff erzeugt. Die Chemie- und Erdöl-Indus-

trie sind die größten Erzeuger und Verbraucher von

Wasserstoff.

Der Anteil von Wasserstoff, der für Energie-Erzeu-

gung und -Umwandlung eingesetzt werden wird,

wird im 21. Jahrhundert voraussichtlich stark steigen.

Seine Einsatzmöglichkeiten steigen mit dem techno-

logischen Fortschritt auf allen Gebieten. Der Preis

von Wasserstoff als Energieträger hängt ab vom

Angebot der kohlenstoffhaltigen Primärenergien

bzw. von den Kosten für Strom. Ein wichtiger Faktor

zur Kostenreduzierung ist die Anlagengröße.

Reinhold Wurster von der Ludwig-Bölkow-System-

technik GmbH und Mitglied des Beirats der Wasser-

stoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen sieht im

Jahr 2015 das Förder- und Produktionsmaximum

fossiler und nuklearer Brennstoffe erreicht. Er stellt

folgende Thesen auf (siehe folgende Grafik):

a Es wird einen Übergang von einem

brennstoffbasierten zu einem strombasierten

Energiesystem geben.

a Der Verkehrssektor wird Strom als „haupt -

sächliche Primärenergiequelle“ nutzen.

a Die künftige Infrastruktur wird sich ändern:

Strom wird fossile Brennstoffe langfristig

ersetzen müssen.

a Stromspeicherung wird unentbehrlich – Wasser-

stoff wird als wichtiges Stromspeichermedium

fungieren und ein starker Partner für erneuer-

bare Energien und den Verkehrssektor werden.

1940

5.000

10.000

15.000

Ges

amte

Pri

mär

ener

gie

vers

org

ung

[Mto

e]

Reg

ener

ativ

e En

erg

ien

20.000

heute

Erdöl

Solarthermische Kraftwerke (SOT)

Solarthermische Kollektoren

Photovoltaik

Windkraft

WasserkraftGeothermie

Biomasse90%

8%8%2%

76%

15%

8%

17%

sche 19%

64%

50% Brennstoff

31% Strom

19% Wärme/Brennstoff

Erdgas

Kohle

Uran

Regenerativer Strom Regenerative Wärme/Brennstoff Fossile/nukleare Brennstoffe

Kraftstoffbasiertes Energiesystem

Kraftstoff zu Strom (niedriger Wirkungsgrad)

Strombasiertes Energiesystem

Strom zu Kraftstoff (niedriger Wirkungsgrad)

2030 2050

1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

2%

Fördermaximum fossil / nuklear

etwa 2015

m Übergangs-phase

Quelle: Reinhold

Wurster, Ludwig-

Bölkow-System-

technik GmbH

22

Die ökonomische und ökologische Entwicklung in

Industrienationen muss dahin gehen, immer mehr

Primärenergie durch die Sekundärenergien Elektri-

zität und Wasserstoff zu ersetzen, weil ihre Umwand-

lung in andere Energieformen, ihr Transport und ihre

Anwendung beim Verbraucher mit überlegenem

Wirkungsgrad und ohne Bildung von umweltschäd-

lichen Stoffen vor sich geht. Der Vorteil der Verwen-

dung erneuerbarer Energien liegt neben der Emis-

sionsfreiheit in der Möglichkeit der dezentralen und

von fossilen Rohstoffen unabhängigen Versorgung.

Quelle: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH

Photovoltaik

Belegung= 33%

Belegung= 1%

Belegung= 100%

Belegung= 100%

1ha Wasserstoff~733 GJ/ha

Wasserstoff~363 GJ/ha

Wasserstoff~93 GJ/ha

VM Fahrzeug~493.000 km/ha

VM Fahrzeug~245.000 km/ha

VM Fahrzeug ~62.000 km/ha

Biomethan, ~80.000 km/ha

BtL, ~51.000 km/haBiodiesel, ~33.000 km/ha; Bioethanol, ~35.000 km/ha

ha=Hektar, VM=Verbrennungsmotor, BZ=Brennstoffzelle Referenzfahrzeug: VW Golf [Concawe/EUCAR/JRC 2006], Ø Fahrleistung=12.500 km/Jahr

BZ Fahrzeug~875.000 km/ha

BZ Fahrzeug~434.000 km/ha

BZ Fahrzeug~110.000 km/ha

Windenergie

Biomasse

Biodiesel~48 GJ/ha

Biomethan~112 GJ/ha

Biomasse

Primär-energie

Belegte

Landfläche

Kraftstoff-produktionpro Hektar

Flächenbedarf für erneuerbare Kraftstoffe: Nutzung eines Hektars Land für die Kraftstoffproduktion

23

Quelle: Linde

Wenn man an zwei Platin-Elektroden im leitenden

Wasserbad elektrische Spannung anlegt, fließt elek-

trischer Strom und spaltet das Wasser. Wasserstoff

und Sauerstoff scheiden sich gasförmig an den Elek-

troden ab. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse.

Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bietet

die Möglichkeit eines emissionsfreien Wasserstoff-

Energiekreislaufs, wenn der Strom für die Elektrolyse

aus einer regenerativen Energiequelle wie beispiels-

weise Sonnen- oder Windenergie oder aus Wasser-

kraft stammt.

Zudem bietet sich zur Produktion von Wasserstoff

die Vergasung von Biomasse an. Dazu kann man

außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder

Biomüll aus Haushalten auch organische Industrie-

abfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche

Schwierigkeiten bereitet. Das Zusammenspiel von

konventionellen und regenerativen, von zentral und

dezentral erzeugten Energien, kann durch koordinie-

rende Energie-Management-Systeme gesteuert wer-

den, die durch elektronische Netze optimiert wer-

den. Das Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt dafür

komplexes Know-how.

WASSERSTOFF-HERSTELLUNG: EMISSIONSFREIER ENERGIEKREISLAUF

DURCH EINSATZ ERNEUERBARER ENERGIEN

Die Dampfreformierung ist das am weite-

sten verbreitete Verfahren zur Erzeugung

von wasserstoffreichem Synthesegas aus

leichten Kohlenwasserstoffen. Die Einsatz-

stoffe Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha

werden mit Wasserdampf in katalytischen

Rohrreaktoren zu Synthesegas mit hohem

Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozess-

wärme und Rauchgaswärme werden zur

Dampferzeugung genutzt. Quelle: Linde

24

Ein großer Vorzug des Energieträgers Wasserstoff

gegenüber der Elektrizität ist seine Speicherfähig-

keit; allerdings muss man das Gas zu diesem Zweck

verdichten (bis auf 700 bar) oder verflüssigen. In bei-

den Fällen ist dazu zusätzliche Energie aufzuwenden.

Der verdichtete Wasserstoff gilt als ideal für mobile

Anwendungen, d. h. für Kraftfahrzeuge mit Brenn-

stoffzellen-Antrieb. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen

wird Wasserstoff in speziell konstruierten superiso-

lierten Tanks, Hochdruck-Speichern aus Stahl oder in

Composite-Behältern gespeichert – entweder als

komprimiertes Gas (CGH2) oder verflüssigt (LH2) bei

einer Temperatur von –253°C.

Industriegase-Unternehmen fahren verflüssigten

Wasserstoff in großen Tankwagen – ähnlich wie Ben-

zin oder Diesel – sicher von der Verflüssigungsan-

lage zum Verbraucher.

Wasserstoff-Tankstellen ermöglichen Mobilität

Erste Wasserstofftankstellen sind in Frankfurt (mehr

dazu auf Seite 26), Hamburg, Berlin, am Münchener

Flughafen und Stuttgart in Betrieb genommen wor-

den, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasser-

stoff zu versorgen. In den Ballungsräumen der che-

mischen Industrie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt

der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der zunehmend zur

Betankung von Fahrzeugen zur Verfügung steht. Um

die Mobilität von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brenn-

stoffzellen-Antrieb zu gewährleisten, muss dieses

Netzwerk weiter ausgebaut werden. Die Tankstellen

können entweder mit Tankwagen oder über Pipe-

lines mit Wasserstoff-Nachschub versorgt werden.

VERDICHTETER WASSERSTOFF – SPEICHERUNG UND TRANSPORT

Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Quelle: Zero Regio

Quelle: Linde

25

TANKEN MIT SICHERHEIT

Die Industrie, die seit Jahrzehnten mit gasförmigem

und flüssigem Wasserstoff umgeht, hat aus dieser

Erfahrung viele der erforderlichen Vorschriften und

Praktiken entwickelt. Millionen Menschen nutzen

tagtäglich gasförmige und flüssige Brennstoffe im

Auto und im Haushalt, weil sie die Handhabung

gelernt haben und die Industrie ihnen die entspre-

chenden, sicheren Geräte bietet.

Das Betanken der Wasserstoff-Tanks von Brennstoffzellen-

Fahrzeugen ist mit speziellen Einfüllstutzen ähnlich einfach

wie das Tanken von Erdgas. Quelle: Linde

Für die Sicherheit jedes Kraft-

stoffs spielen seine physikali-

schen und che mischen Eigen-

schaften eine entscheidende

Rolle. Im direkten Vergleich mit

Benzin zeigt sich, dass Wasser-

stoff keinesfalls gefährlicher ist:

Er verflüchtigt sich sehr schnell,

verbrennt anstatt zu explodie-

ren, ent zündet sich nicht so

leicht an heißen Oberflächen

und ist im Gegensatz zu

Benzin ungiftig für Mensch

und Umwelt.

Quelle: TÜV Süddeutschland

Benzin Wasserstoff Schlussfolgerung

Dichte im Verhältnis zu Luft

3,2– 4 0,09 Wasserstoff verflüchtigt sichschnell, Benzin bleibt am Boden

Zündbereich 0,6– 8 % 4– 75 % Wasserstoff kann in einemgroßen Bereich gezündet werden

Detonationsgrenze 1,1 % 18 % Wasserstoff verbrennt, bevor er explodiert

Zündenergie 0,24 mJ 0,02 mJ Ein Funken reicht aus, um Wasser-stoff oder Benzin zu zünden

Zündtemperatur 220– 280 °C 585 °CBenzin kann sich an heißen Oberflächen entzünden

Flamme strahlt heißwenig Wärme-

strahlungVerbrennungsgefahr neben Wasserstoff-Flamme gering

Gesundheits -gefährdung

giftig ungiftigWasserstoff stellt keine Gefahr für Böden und Gewässer dar

26

Das Massentransportmittel für Wasserstoff ist die

Rohrleitung: Seit Jahrzehnten betreibt die chemische

Industrie in NRW ein sicheres und leistungsfähiges

Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von ca. 240

Kilometern Länge, das jährlich ca. 250 Mio. Kubikme-

ter transportiert. In Marl, am Nordrand des Ruhrge-

biets, wird das größte Abfüll-Zentrum für Wasserstoff

in ganz Europa betrieben. Im Industriepark Höchst ist

für das Projekt Zero Regio (siehe Seite 32) eine hoch-

moderne Wasserstoffleitung installiert worden. Die

hinsichtlich Druck und Länge einzigartige Hoch-

druck-Pipeline hat eine Gesamtlänge von 1,7 Kilome-

tern und führt einen Druck von bis zu 1100 bar.

Eine etablierte Wasserstoff-Infrastruktur ist das Erd-

gasnetz, das viele Millionen Verbraucher in Deutsch-

land erreicht. Erdgas besteht zu über 90 Prozent aus

Methan, dem H2-reichsten Kohlenwasserstoff, aus

dem wiederum Wasserstoff gewonnen werden kann.

Technisch ist es relativ einfach, an jedem Verbrauchs-

punkt mit einem so genannten Reformer aus ver-

schiedenen Kohlenwasserstoffen reinen Wasserstoff

für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Damit steht Was-

serstoff prinzipiell bereits heute für die Versorgung

vieler privater Haushalte in Deutschland zur Verfü-

gung.

Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion

entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozes-

sen der chemischen Industrie und wird auch von die-

ser selbst in Folgeprozessen wieder verbraucht, vor

allen Dingen in der Petrochemie. Wenn er im indus-

triellen Maßstab gezielt erzeugt wird, geschieht das

zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erd-

gas. Dieses Verfahren stützt sich allerdings auf einen

fossilen und nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff

und ist mit erheblichen CO2 -Emissionen verbunden.

Quelle: Linde

Bei Infraserv Höchst in Frankfurt am Main fallen 30

Millionen Kubikmeter Wasserstoff pro Jahr aus der

Chlorproduktion an. Seit der Inbetriebnahme der

Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrie-

parks Höchst im November 2006 waren Brennstoff-

zellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge von Daimler

für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – einige

davon auf dem Gelände des Frankfurter Flughafens

und im Industriepark Höchst. Im Rahmen des von der

Europäischen Union geförderten und von Infraserv

Höchst koordinierten Projektes Zero Regio lieferten

diese Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte über All-

tagsbetrieb, Betankung und Infrastruktur.

PIPELINES BRINGEN WASSERSTOFF ZUM VERBRAUCHER

27

GermanHy, eine Studie zur Frage „Woher kommt der

Wasserstoff in Deutschland bis 2050?“ im Auftrag des

Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadt -

entwicklung (BMVBS) und in Zusammenarbeit mit

der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brenn-

stoffzellentechnologie (NOW), zeigt drei Szenarien

auf und kommt zu folgenden Ergebnissen:

a Deutschland verbraucht rund 30 Prozent seiner

Primärenergie im Verkehrssektor. Wasserstoff

kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesent -

licher Energieträger werden und hier etwa

20 bis 40 Prozent des Energiebedarfs im Ver-

kehrssektor abdecken. Wasserstoff und Brenn-

stoffzellen können im Straßenverkehr bis 2050

eine große Bedeutung erlangen. Sie werden

zentraler Bestandteil eines diversifizierten

Angebotes (Kraftstoffe und Antriebskonzepte).

a Bei drastischem Rückgang fossiler Energieim-

porte müssen verstärkt erneuerbare Energien

eingesetzt, erhebliche Effizienzsteigerungen

erreicht und energiesparendes Verhalten

umgesetzt werden.

a Je nach Rahmenbedingungen kann regenerativ

erzeugter Wasserstoff bis 2050 bis zu 70 Prozent

aller PKW/Lieferfahrzeuge versorgen – auch bei

starker fossiler Ressourcenverknappung.

a Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primär-

energiemix verwendet. Dabei können in der

Übergangsphase regional verfügbarer Wasser-

stoff aus Industrieanlagen (Nebenprodukt), Erd-

gasreformierung vor Ort und Biomasseverga-

sung eine Rolle spielen. Langfristig überwiegen

regenerative Energieträger wie z. B. Windenergie.

a Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren

die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (An -

fangsphase mit geringen Mengen) sowie die

Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab

2030, kostengünstiger bei großen Mengen). Vor-

Ort-Produktion ergänzt regional das Angebot.

Nähere Informationen unter www.bmvbs.de und

www.germanhy.de.

IM WASSERSTOFF LIEGT DIE ZUKUNFT

„Moderat“

0 %

Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion

Herkunft von Wasserstoff in Deutschland

20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

„Klima“

„Ressourcen-Verknappung“

100 PJ

2050

2030

2050

2030

2050

2030

480 PJ

100 PJ

470 PJ

90 PJ

440 PJ

Kohle ohne CCS

Kohle mit CCS

Erdgas

Wind

Biomasse

Nebenprodukt

Quelle: GermanHy

GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE

5

28

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

hat gegenüber anderen Energiewandlungsmetho-

den enorme Vorteile und darum ein großes Poten-

zial. Emissionsfreier und hocheffizienter Betrieb von

Fahrzeugen, Kraftwerken und Heizungsanlagen ist

die Herausforderung, der sich Hersteller und Ver-

braucher stellen müssen. Neben Lärm-, Feinstaub-

und anderen toxischen Belastungen ist die Klimaver-

änderung durch CO2 das größte Problem, das

umweltpolitisch angegangen werden muss. Aus der

Knappheit der fossilen Ressourcen, dem wachsen-

den Kohlendioxid-Ausstoß und dem prognostizier-

ten bedrohlichen Klimawandel resultieren nicht nur

Handlungsempfehlungen für die Umweltpolitik, son-

dern auch Herausforderungen an die Forschung und

Entwicklung in Wissenschaft und Wirtschaft. Energie-

Technologien, die ohne CO2-Emissionen hohe Effi-

zienz und Verfügbarkeit gewährleisten, sind gefragt:

zum Beispiel die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

technologie.

Die Europäische Union hat sich verpflichtet, den

Ausstoß von Kohlendioxid bis zum Jahr 2020 um

mindestens 20 Prozent gegenüber 1990 zu senken.

Studien der Internationalen Energie Agentur, einer

autonomen Institution der Organisation für wirt-

schaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung

(OECD), zeigen, dass die Energieeffizienz bis 2050

potenziell zur größten einzelnen Emissionssenkungs-

quelle im Energiesektor werden kann. Dies hätte

sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile.

REGENERATIVE ENERGIEN FÖRDERN, CO2-AUSSTOSS MINDERN,

UMWELT ENTLASTEN

„Das Weltenergiesystem steht an einem Scheide weg. Die derzeitigen weltweiten Trends von

Energieversorgung und -verbrauch sind eindeutig nicht zukunftsfähig, in ökologischer

ebenso wie in wirtschaftlicher und sozialer Hinsicht.“ Internationale Energie Agentur, 2008

29

Nicholas Stern, Leiter des volkswirtschaftlichen

Dienstes der britischen Regierung, kommt in seinem

Report von 2006 zu ähnlichen Schlüssen in Bezug

auf die notwendige Reduzierung von CO2-Emissio-

nen: „Viele der Technologien zum Erreichen dieser

Reduzierungen existieren zwar bereits, aber die Prio-

rität besteht jetzt darin, ihre Kosten zu reduzieren, so

dass sie mit Alternativen zu fossilen Brennstoffen

unter einem Kohlenstoff-Preisrichtlinienprogramm

wettbewerbsfähig sind.“

Die Projektgruppe Energiepolitisches Programm

(PEPP) des Bundeswirtschaftsministeriums hat

„10 langfristige Handlungslinien für die künftige

Energieversorgung in Deutschland“ herausgegeben

und stellt fest: „Weitere innovative Ansätze zur Erhö-

hung der Umwandlungseffizienz sind Techniken zur

Stromerzeugung aus Abwärme, hocheffiziente

Wandlungstechniken wie Brennstoffzellen sowie

Hybridkonzepte, die mehrere Techniken oder Brenn-

stoffe komplementär einsetzen. Diese Techniken

sind teilweise bereits technisch ausgereift, einige

nähern sich der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, größ-

tenteils besteht jedoch noch Forschungsbedarf. (...)

Verschiedene Arten von Brennstoffzellen werden in

Versuchsanlagen getestet und lassen elektrische

Wirkungsgrade zwischen 40 und 60 Prozent erwar-

ten.“ (www.bmwi.de)

Energiebedingte Emissionen von Kohlendioxid (Deutschland 2006) in Millionen Tonnen (Mt) nach Sektoren

799 Gesamt

2 Andere energiebedingte Emissionen

6 Land- und Forstwirtschaft, Fischerei

149 Straßenverkehr

12 Übriger Verkehr

117 Haushalte

46 Kleinverbraucher

101 Verarbeitendes Gewerbe

366 Energiewirtschaft

Quelle: BMWi/UBA,

Stand 08.07.2008

30

HESSEN MODELLPROJEKTE

Das Land Hessen fördert die Durchführung von

besonders innovativen Forschungs- und Entwick-

lungsvorhaben im Technologiebereich – auch auf

dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellen.

Als Projektträger fungiert die Hessen Agentur. Bezu-

schusst werden im Rahmen von Hessen ModellPro-

jekte kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die

gemeinsam mit weiteren Partnern (Unternehmen,

Hochschulen, Forschungseinrichtungen) ange-

wandte Forschungs- und Entwicklungsprojekte rea-

lisieren.

Zur Förderung dieser Vorhaben stehen derzeit drei

Maßnahmen zur Verfügung: LOEWE KMU-Verbund-

vorhaben (Förderlinie 3), finanziert aus Landesmit-

teln, sowie KMU-Modell- und -Pilotprojekte und als

erweiterte Maßnahme modellhafte Forschungs- und

Entwicklungsprojekte mit Schwerpunkt im Automo-

tivebereich, die beide aus Mitteln des Europäischen

Fonds für regionale Entwicklung und aus Mitteln des

Landes Hessen finanziert werden.

Weitere Informationen unter

www.innovationsfoerderung-hessen.de

HESSISCHES ENERGIEGESETZ

Im Rahmen des Hessischen Energiegesetzes vom

November 2008 können Projekte unterstützt wer-

den, die Entwicklung, Demonstration und Anwen-

dung stationärer Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

systeme zum Inhalt haben. Ziel ist es, die rationelle

und umweltverträgliche Energienutzung in Hessen

voranzutreiben und einen Beitrag zu einer gesamt-

wirtschaftlich wettbewerbsfähigen und sicheren

Erzeugung und Verwendung von Energie zu leisten.

Gefördert werden können marktnahe Vorhaben zur

Nutzung neuer Energietechnologien (Marktvorbe-

reitungsförderung) mit den Schwerpunkten energie-

effiziente Gebäudetechnologien, rationelle Elektrizi-

tätsanwendung, rationelle Energienutzung sowie

Nutzung erneuerbarer Energien.

FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN

EUROPÄISCHE UNION:Investition in Ihre ZukunftEuropäischer Fonds fürregionale Entwicklung

31

FÖRDERPROGRAMME STELLEN GELDER IN AUSSICHT

Die Bundesregierung hat ein Förderprogramm auf-

gelegt, das die Weiterentwicklung und Einführung

dieser Technologien unterstützen will: durch die

gezielte Förderung im Rahmen des von den Bundes-

ministerien für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung

(BMVBS), Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bil-

dung und Forschung (BMBF) sowie Umwelt, Natur-

schutz und Reaktorsicherheit (BMU) gemeinsam for-

mulierten „Nationalen Innovationsprogramm Was-

serstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP).

„Im Rahmen des NIP sind für die kommenden zehn

Jahre zusätzliche 500 Millionen Euro Förderung [Stand

2006] dieser Technologie vorgesehen. Bei Fortschrei-

bung der seit Jahren erfolgreich laufenden FuE-För-

derung des Bundes für Brennstoffzellen und Wasser-

stoff – vor allem durch das BMWi – stehen unter

Berücksichtigung der komplementären Mittel der

Industrie und Anwender im Zeitraum 2007 bis 2016

bis zu 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung. Hinzu kom-

men noch Mittel des BMBF zur Grundlagenforschung

und institutionellen Förderung der Großforschungs-

einrichtungen auf diesem Gebiet.“ (www.bmvbs.de)

Im Februar 2008 wurde die Nationale Organisation

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW)

gegründet, um die internationale Wettbewerbs -

fähigkeit im Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzel-

lentechnologie auszubauen. NOW koordiniert die

Aktivitäten im Auftrag der verschiedenen Bundesmi-

nisterien und stellt Kontakt zu internationalen Insti-

tutionen und der Industrie her (www.now-gmbh.de).

Weitere Informationen zur Förderung bzw. Förder be -

ratung finden Sie auch unter www.H2BZ-Hessen.de.

PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG

NULL-EMISSION UND ELEKTROMOBILITÄT IN RHEIN-MAIN,

KLIMANEUTRALE IKT

Beispielhafte Projekte für den Einsatz der Wasser-

stoff- und Brennstoffzellentechnologie, an denen

hessische Akteure beteiligt sind, zeigen, wie im

Zusammenspiel unterschiedlicher Unternehmen und

Institutionen eine zukunftsweisende Energieerzeu-

gung ohne Emissionen aussehen kann. Die Projekte

nehmen sich der globalen Verantwortung für die

Verminderung von Kohlendioxid an: Clean Energy

Partnership (CEP) ist ein europäisches Demonstra tions -

projekt in der Wasserstoffmobilität und ein Leucht-

turmprojekt des Nationalen Innovationsprogramms

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP)

im Verkehrsbereich, welches insbesondere auch die

Ergebnisse des Projektes Zero Regio mit dem Ziel

der Entwicklung emissionsfreier Transportsysteme

für den alltäg lichen Einsatz in europäischen Bal-

lungsräumen aufgreift. Im RheinMain BLUE Cluster

planen mehrere Unternehmen, Brennstoffzellen in

der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT)

einzusetzen. In einem weiteren Projekt setzt die Fra-

port AG seit Herbst 2011 ein Brennstoffzellensystem

der Firma Rittal zur partiellen Absicherung der

Stromversorgung ein.

32

Hessens Beitritt zum größten Demonstrationsprojekt

in der Wasserstoffmobilität in Europa, der Clean

Energy Partnership (CEP), markierte im Herbst 2011

den Einstieg in die flächendeckende Nutzung von

Elektromobilität. Ziel ist der kontinuierliche Betrieb

leistungsfähiger Wasserstofffahrzeuge und deren

schnelle und sichere Betankung; ebenso die sau-

bere und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff,

um den Wasserstofftransport und die Speicherung

von Wasserstoff im flüssigen und im gasförmigen

Zustand zu gewährleisten. So gelingt es, sowohl für

private als auch gewerbliche Nutzer auch in Zukunft

noch mobil zu sein – und das ohne jegliche Emissio-

nen. Insbesondere in den von Feinstaub belasteten

Innenstädten können emissionsfreie Fahrzeuge mit

Brennstoffzellentechnologie echte Erleichterung

bringen – ganz gleich, ob es sich dabei um Busse,

Lieferfahrzeuge oder um privat bzw. geschäftlich

genutzte PKW handelt. Einige hessische Unterneh-

men haben bereits Wasserstoff-Fahrzeuge in ihre

Dienstwagen-Flotte aufgenommen, um die Weiter-

entwicklung der grünen Mobilität zu unterstützen.

Seit 2008 wird die CEP durch das Bundesverkehrs-

ministerium (BMVBS) gefördert.

www.cleanenergypartnership.de

Das Land Hessen tritt im Herbst 2011 dem größten euro-

päischen Demonstrationsprojekt in der Wasserstoffmobili-

tät, der Clean Energy Partnership (CEP), bei. Auf dem Bild

zu sehen sind: im Vordergrund Lucia Puttrich, Ministerin

HMUELV; Karl-Friedrich Stracke, CEO der Adam Opel AG;

dahinter v.r.n.l. Dirk Weigand, Daimler AG; Patrick Schnell,

CEP; Dr. Veit Steinle, BMVBS; Dr. Joachim Wolf, H2BZ-

Initiative; Christoph Rust, Honda Motor Europe.

Quelle: Wildhirt

Zero Regio – 16 Partner aus vier Ländern

Zero Regio steht für „Region mit Null Emissionen“ und

war ein von der Europäischen Kommission geförder-

tes integriertes Projekt innerhalb des 6. Forschungs-

rahmenprogramms. Unter der Leitung von Infraserv

Höchst engagierten sich 16 europäische Partner aus

vier Ländern für den Aufbau einer Wasserstoffinfra-

struktur für die Versorgung von Brennstoffzellen-PKW

im Rhein-Main-Gebiet sowie in der Lombardei. Ziel

war es, emissionsfreie Transportsysteme für den all-

täglichen Einsatz in europäischen Ballungsräumen zu

entwickeln und zu erproben. Im Rahmen des Projekts

lieferten die Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte

über den Alltagsbetrieb und die Betankung von Elek-

tromobilen. Ende 2006 wurde die erste öffentliche

Wasserstofftankstelle Hessens in Frankfurt-Höchst

eröffnet. Sie dient insbesondere der Versorgung von

Brennstoffzellentestfahrzeugen, die auf dem Frankfur-

ter Flughafengelände im Einsatz sind und mit deren

Clean Energy Partnership (CEP) – emissionsfreie Mobilität

33

Seit der Inbetriebnahme der Wasserstoff-Tankstelle am

Südrand des Industrieparks Höchst im November 2006

waren vier Brennstoffzellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge

von Daimler für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest –

drei davon auf dem Fraport-Gelände und eins im Industrie-

park Höchst. Quelle: Zero Regio

Hilfe die Alltagstauglichkeit dieser Technologie über-

prüft werden soll. Langfristiges Ziel von Zero Regio war

es, die Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energien

zu reduzieren, die Schadstoffemissionen zu verringern

und durch Technologiefortschritte die breitere Anwen-

dung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnolo-

gie in Europa voranzutreiben.

Insgesamt investierten die Projektbeteiligten, darunter

Unternehmen wie AGIP, Daimler, Linde, die italieni-

schen Energieunternehmen Eni, Sapio und CRF sowie

die Region Lombardei, rund 13,5 Millionen Euro in

Zero Regio. Hinzu kamen 7,5 Millionen Euro Förder-

mittel der Europäischen Union.

www.zeroregio.de

RheinMain BLUE Cluster

Informations- und Kommunikationstechniken (IKT) ver-

ursachen nach aktuellen Schätzungen etwa 2Prozent

der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen und 10Pro-

zent des Stromverbrauchs in Industrieländern, Ten-

denz steigend. Das Rhein-Main-Gebiet hat eine der

größten Dichten an Rechenzentren. Wichtig für die

IKT-Anlagen ist die unterbrechungsfreie Stromversor-

gung. Brennstoffzellen können nicht nur ähnlich einem

Notstromaggregat zur Absicherung gegen Stromaus-

fälle dienen, sondern sie lassen sich auch als eine per-

manente stationäre Energieversorgung von Rechen-

zentren effektiv nutzen. Mit der Wasserstoff- und

Brennstoffzellentechnologie soll im Rahmen des

RheinMain BLUE Cluster in mehreren Projekten in

Zukunft die Versorgung sichergestellt werden. Von

Vorteil bei solchen stationären Anlagen sind der hohe

elektrische und thermische Wirkungsgrad durch

Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die

Geräuscharmut und Vibrationsfreiheit und der geringe

Wartungsaufwand der Brennstoffzellentechnik. Zudem

bieten sie eine Unabhängigkeit vom öffentlichen

Stromnetz und somit eine erhöhte Redundanz. Brenn-

stoffzellen bieten nicht nur eine saubere und sichere

Energieversorgung zur effektiven Klimatisierung, son-

dern sie erhöhen zudem die Sicherheit, denn sie kön-

nen mit der sauerstoffarmen Abluft auch einen Beitrag

zum präventiven Brandschutz leisten.

Im Rahmen des RheinMain BLUE Cluster haben das

Hessische Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt-

schaft und Verbraucherschutz, die HA Hessen Agen-

tur GmbH, das Beratungsunternehmen Arthur D.

Little sowie die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-

Initiative Hessen eine Plattform für Anwender wie

Betreiber von Rechenzentren und Energieversorger

sowie Unternehmen aus dem Bereich der Wasser-

stoff- und Brennstoffzellentechnologie geschaffen.

Anfang Oktober 2011 wurde am Airport Frankfurt

erstmals an einem deutschen Flughafen ein Brenn-

stoffzellensystem zur Absicherung eines Stromnet-

zes in Betrieb genommen. Betreiber ist die Fraport

AG, die Eigentümerin des Frankfurter Flughafens. In

einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit einem

5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die unterbre-

chungsfreie Stromversorgung rund um einen Park-

platz ab.

Das Brennstoffzellensystem kann mittels des Einsat-

zes von Wasserstoffflaschen als Energieträger (ins-

gesamt 200 Liter Wasserstoffvorrat) Unterbrechun-

gen im Versorgungsnetz sekundenschnell absichern

und einen Stromausfall von bis zu zehn Stunden

überbrücken.

Die Brennstoffzellentechnologie von Rittal weist

einen Gesamtwirkungsgrad von rund 50 Prozent auf.

Durch die unmittelbare Wandlung von chemischer

Energie in elektrische Energie ist der Prozess im Ver-

gleich zu Generatorenlösungen zudem emissionsfrei

und sehr geräuscharm. Die Fraport AG plant die

Brennstoffzellentechnik zukünftig auch in weiteren

Anwendungsbereichen des Airports einzusetzen.

www.rittal.com, www.fraport.de

34

Brennstoffzelle von Rittal sichert partielle Stromversorgung am Frankfurter Flughafen

In einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit

einem 5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die

unterbrechungsfreie Stromversorgung rund um

einen Parkplatz ab.

Quelle: Rittal GmbH & Co. KG

35

Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,

Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen,

Wasserstoff in städtischen Versorgungsleitungen für

Hausheizungsanlagen, autonome Energieversor-

gung durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraft-

werke – das sind keine fernen Visionen, sondern

könnte bald Realität sein. Die Voraussetzungen

hierfür sind, dass die aktuellen Feldtests erfolgreich

verlaufen und die erforderlichen Mittel in die Tech-

nologie investiert werden.

Die Europäische Union strebt an, bis 2020 fünf Pro-

zent der Fahrzeugkraftstoffe durch Wasserstoff zu

ersetzen, Automobilhersteller rechnen mit Marktein-

führungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoff-

zellen-Fahrzeugen ab 2015.

Das Fortschreiten der Entwicklung von Bestandteilen

der Technologie wie Membran, Elektrolyseur, Was-

serstoffspeicher und Bestandteilen der Peripherie

verspricht die notwendige Kostenreduktion der Pro-

duktion und damit auch die ökonomische Marktreife

in wenigen Jahren. Die Vision von dynamischer Elek-

tromobilität und gleichzeitiger Unabhängigkeit von

fossilen Brennstoffen kann Wirklichkeit werden.

EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN

36

IMPRESSUMRedaktion:

Alexander Bracht

Alina Stahlschmidt

Daniela Jardot

HA Hessen Agentur GmbH

Wassertoff- und Brennstoffzellentechnologie

c/o Geschäftsstelle H2BZ-Initiative Hessen

Konradinerallee 9

65189 Wiesbaden

Dr. Justus Brans

Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Die Mitglieder des Vorstandes der

H2BZ-Initiative Hessen, insbesondere:

Dr. Joachim Wolf

Prof. Dr. Birgit Scheppat

Anna-Kristin Kippels

Eva Frantz, redaktionsbüro frantz, Göttingen

© Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Mainzer Straße 80

65189 Wiesbaden

www.hmuelv.hessen.de

Die Abbildungen wurden freundlicherweise

von den Mitgliedern und Projektpartnern der

H2BZ-Initiative Hessen zur Verfügung gestellt.

Vervielfältigung und Nachdruck – auch aus-

zugsweise – nur nach vorheriger schriftlicher

Genehmigung.

Titelabbildungen:

istockphoto.com (Hintergrund)

vege, fotolia.com (Solarzellen)

Linde (Wasserstofftanks)

Erstauflage: November 2009

Zweite leicht veränderte Auflage: April 2012

Dritte leicht veränderte Auflage: April 2013

Gestaltung: Theißen-Design, Lohfelden

Druck: Druckerei ausDRUCK, Kassel

Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr

für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die

Vollständigkeit der Angaben sowie für die

Beachtung privater Rechte Dritter.

Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

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