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Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Wasserstoff und Brenn stoffzellen
Energietechnologie ohne Emissionenund 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
Netzwerk von Kompetenzträgern und die Hessen Agentur ····························· 5
Die H2BZ Projekt GmbH ······················································································· 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
ZWEI PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG ·························································· 31
EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN ·················· 34
IMPRESSUM ·············································································································· 35
1
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Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzel personen, die an Brenn stoffzellen oder der Peripherie arbeiten, findenSie im Kompetenzatlas Brennstoffzelle Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER,
2
die größte Herausforderung, vor der wir umweltpoli-
tisch heute stehen, ist die Reduzierung des CO2-Aus-
stoßes. Die Technik, mit der Verbrennungsmotoren
heute arbeiten, beruht auf der Verbrennung fossiler
Energieträger und wird nicht zu einer Null-Emissions-
technik entwickelt werden können. Wir sind darauf
angewiesen, neue Technologien zu fördern und zu
entwickeln, die die Kohlendioxid-Belastung der
Umwelt reduzieren helfen und zukünftig sogar ohne
Emissionen arbeiten. Die Wasserstoff- und Brennstoff-
zellen-Technologie ist so eine Alter native. Mit Wasser-
stoff als Energieträger könnten Fahrzeuge, Heizungs-
und Kühlanlagen sowie portable Geräte wie Handys
und Laptops mit Brennstoffzellen betrieben werden,
und das zum Teil schon in wenigen Jahren. Alle füh-
renden Autohersteller, in Hessen zum Beispiel Opel,
arbeiten schon seit einigen Jahren an solchen Antrie-
ben, Testfahrzeuge sind international im Einsatz. Für
den Betrieb von Kommunikationstechnologie und
tragbaren Kleingeräten haben die Brennstoffzellen
schon Serienreife erlangt.
Was macht die Wasserstoff- und Brennstoff-
zellen-Technologie so effizient?
Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und
Wärme, arbeiten geräuschlos und – mit regenerativ
gewonnenem Wasserstoff betrieben – emissionsfrei.
Wasserstoff ist auf der Erde in nahezu unbegrenztem
Maß verfügbar. In Form von Wasser an Sauer stoff
gebunden ist er fast überall leicht verfügbar. Wasser-
stoff kann als klima neutraler Energiespeicher ver-
wendet werden. Wo er als Nebenprodukt chemi-
scher Prozesse anfällt, etwa im Industriepark Frank-
furt-Höchst, sind bereits Tankstellen eingerichtet.
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Busse und LKW mit Brenn stoffzellen systemen, Ver-
sorgung für Hausheizungsanlagen, autonome Ener-
gieversorgung zum Beispiel von Krankenhäusern
durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke
– das ist möglich und wird derzeit auch in Hessen
geplant oder schon getestet.
Emissionsfreier Betrieb von Fahrzeugen, Kraftwerken
und Heizungsanlagen ist die Herausforderung, der
sich Hersteller und Verbraucher stellen müssen.
Neben der Klimaveränderung durch CO2 sind auch
Lärm-, Feinstaub- und andere toxische Belastungen
große Probleme, die umweltpolitisch angegangen
wer den müssen. Aus der Knappheit der fossilen
Ressourcen, dem wachsenden Kohlendioxid-Ausstoß
und dem prognostizierten bedrohlichen Klimawan-
del resultieren nicht nur umweltpolitischer Hand -
lungs bedarf, sondern auch Herausforderungen an
Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und
Wirtschaft. Energie-Technologien, die ohne CO2-
Emissionen hohe Effizienz und sicherere Verfügbar-
keit gewährleisten, sind gefragt.
Unser Regierungsprogramm für Hessen sieht vor,
dass wir die Forschung im Energiebereich intensivie-
ren. Unterstützt werden sollen z.B. die Forschung
bezüglich emissionsfreier Kohlekraftwerke, Solar-
energie, Wind- und Wasserkraft, Biogas, Biomasse,
Geothermie und Kernfusion sowie die Entwicklung
der Nutzung des Biowasserstoffes und der Brenn-
stoffzelle. Wir werden die Weiterentwicklung der
Speichertechnologien unterstützen, um regenerative
Energien auch für die Grundlast einsetzen zu können.
Viele Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in
Hessen treiben die Entwicklung der zukunftsträch -
tigen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik
voran, steigende Nachfrage und damit größere
Stückzahlen werden sie preiswerter und am Markt
bestandsfähig machen.
Mit der Hessen Agentur als zentraler Einrichtung der
Wirtschaftsförderung in Hessen und der H2BZ-Initia-
tive Hessen e.V. ist das Land für die technischen
Herausforderungen, vor denen die Wasserstoff- und
Brennstoffzellen-Technologie steht, gut aufgestellt.
Lassen auch Sie sich von der Technik begeistern und
inspirieren.
Silke Lautenschläger
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!
Nach 22 Jahren Managementerfahrung in internationalenPositionen bei der Linde Group in München und Wiesbadenführt der promovierte Physiker seit Anfang 2009 sein eigenesBeratungsunternehmen „flow-advice – coached innovations“in München und Wiesbaden.
Als Executive Director von „Hydrogen Solutions“ brachte erdie Aktivitäten von Linde zu einem weltweit einmaligen Stan-dard. Von der Europäischen Kommission persönlich berufen,war er an der Entstehung der „Hydrogen & Fuel Cell Techno-logy Platform“ beteiligt und wirkt im Advisory-Council an derProgrammrealisierung mit.
Er ist Mitbegründer der European Hydrogen Association, imDeutschen Wasserstoff-Verband engagiert und war im Vor-stand der National Hydrogen Association of North America.Als einer der Impulsgeber ist Joachim Wolf Mitglied des Beirates des „Nationalen Innovationsprogramm“ (NIP) derBundesrepublik Deutschland.
Anna-Kristin KippelsHA Hessen Agentur GmbHBereich Wasserstoff- und BrennstoffzellentechnologieTelefon 0611 774-8959, Fax [email protected]
Dr. Joachim WolfVorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen
Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative
Dr. Rainer WaldschmidtHA Hessen Agentur GmbHAbteilungsleiter TechnologieTelefon 0611 774-8326, Fax [email protected]
Wasserstoff
Wasserdampf
Brennstoffzellen-„Stack“
individuelleBrennstoffzellen
Bipolarplatte(Kathode –)
Bipolarplatte(Anode +)
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 Hessen Agentur als Wirtschaftsförderungsein-
richtung des Landes Hessen und die H2BZ-Initiative
Hessen wollen insbesondere Unternehmen und
Institutionen in Hessen fördern, aber auch Synergien
mit Partnern aus anderen Ländern schaffen. Gemein-
sam wollen sie helfen, das technologische Potenzial
von Unternehmen, Institutionen und Wissenschaft
weiter zu entwickeln – und zwar im Bereich der
Brennstoffzelle und der hierfür geeigneten innovati-
ven 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: BASF)
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 Cluster. 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-Projekt GmbH
Land Hessen (HMUELV)Land Hessen (HMUELV)
Mitglieder BeiratVorstand
7
In der H2BZ-Initiative Hessen haben sich namhafte
Unternehmen und Institutionen sowie Einzelperso-
nen zusammengeschlossen, hierzu gehören u. a.:
a AMCG Unternehmensberatung GmbH
a BASF Fuel Cell GmbH
a DiWiTech-Ingenieurpraxis
a ELT Elektrolyse GmbH
a EW Medien und Kongresse GmbH
a flow-advice
a Fraunhofer Institut für Windenergie
und Energiesystemtechnik, IWES
a Gaskatel GmbH
a HA Hessen Agentur GmbH
a Hochschule RheinMain
a Hüttenberger Produktionstechnik Martin GmbH
a Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
a KIBZ – Kompetenz- und
Innovations zentrum Brennstoffzelle
a Linde AG
a Magnum Fuel Cell AG
a Materials Valley e. V.
a NANO ENERGY GmbH
a Rittal GmbH & Co. KG
a Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
a SMA Solar Technology AG
a Stadtschule Schlüchtern
a TGZ GmbH
a TU Darmstadt
a Umicore AG & Co. KG
a Wagner Dipl.-Ing. Mess- und
Regeltechnik GmbH
a Winfriedschule Fulda
Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institu-
tionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmen
wächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die
Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie
frei macht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die
Technik mit Ihren Ideen voran!
Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen
8
Die H2BZ Projekt GmbH ist eine hundertprozentige
Tochter der H2BZ-Initiative Hessen. Vielen Unterneh-
men fehlen die personellen Ressourcen zu einer
raschen Umsetzung innovativer Produktideen. Mit-
telständler haben oft nicht genügend finanzielle Mit-
tel, um aus Ideen Produkte zu machen und sie auf
den Markt zu bringen. Sie brauchen für eine Produkt-
entwicklung kompetente und zuverlässige Partner,
die sie technologisch begleiten. Die Anfang 2009
gegründete H2BZ Projekt GmbH hält wichtige Infor-
mationen über Möglichkeiten der Projektförderung
und Kontakte zu entsprechenden Förderstellen
bereit und kann helfen, Projektskizzen anzufertigen
und Förderanträge zu schreiben. Die H2BZ Projekt
GmbH widmet sich Projekten aus der Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie sowie angrenzen-
der Bereiche und bietet vielfältige Unterstützung für
interessierte Firmen in Hessen, aber auch außerhalb
der Landesgrenzen.
TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON
WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN
Projekt GmbH
Die H2BZ Projekt GmbH
Sie unterstützt in allen Phasen der Projektrealisie-
rung wie der Definition des Projektes und der not-
wendigen Leistungen, der Kalkulation der personel-
len und finanziellen Ressourcen. Sie hilft bei der
Akquisition von Projektpartnern, dem Recherchieren
der möglichen Förderprogramme, dem Erstellen
und Vorstellen einer Projektskizze, der Zeit- und
Kostenplanung, der Organisation und Durchführung
von Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projekt-
ergebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer
Markteinführung.
Mit der H2BZ Projekt GmbH wurde ein Ansprech-
partner geschaffen, der bei der praktischen Umset-
zung von Anwendungen für Wasserstoff und Brenn-
stoffzellen in Hessen unterstützt.
Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden,
kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge,
dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie
Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeiche-
rung.
H2BZ Projekt GmbH
Abraham-Lincoln-Straße 38–42
D-65189 Wiesbaden
Telefon 0611 774-8648
Fax 0611 774–58648
www.H2BZ-Projekt.de
Die Leistungen der H2BZ Projekt GmbH
PEM-Brennstoffzellen-
Stacks bestehen aus
einzelnen Zellen, in
denen die Elektroden
durch eine Membran
getrennt werden.
Abbildung: 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,
es entsteht lediglich Abluft
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
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. Durch den Elektrolyten in der Brennstoff-
zelle wird eine Knallgasreaktion des Wasserstoffs
verhindert. Er besteht aus einer ionenleitenden
Flüssigkeit oder einer Membran, einer Karbonat-
schmelze, einer Säure, Lauge oder aus 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, so lange 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. Sie ist noch
nicht für die breite Anwendung in einem Massen-
markt ausgereift. In den nächsten Jahren ist intensive
Arbeit zur Verbesserung der Lebensdauer, der Peri-
pheriegeräte und zur Senkung der Herstellungskos-
ten erforderlich – zum Beispiel durch die Optimie-
rung der Produktionsverfahren. Dann kann die
Brennstoffzelle mit den heutigen Verbrennungsmo-
toren und Hausheizungen konkurrieren.
Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in
der Art der verwendeten Elektrolyten 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. Idealerweise wird eine
PEM-Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff und rei-
nem Sauerstoff betrieben.
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 (-)
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
AFC Alkalische Brennstoffzelle 80°C Kalilauge Wasserstoff mobil (Raumfahrt)
LT-PEMFC Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
80°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär,spez. Anwendungen
HT-PEMFC Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
100–200°C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär
DMFC Direktmethanol-Brennsoffzelle 70–90°C Festpolymer Methanol spez. Anwendungen
PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle 200°C Phosphorsäure Erdgas stationär
MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle 650°C Natrium- und Kaliumkarbonat
Erdgas, Biogas
stationär
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 bei etwa 80°C
(Niedertemperatur), eventuell bei einigen bar Druck
(die Druckdifferenz zwischen den beiden Menbran-
seiten ist relativ klein) und erreicht hohe Leistungs-
dichten.
Der Firma BASF Fuel Cell (früher PEMEAS) aus Frank-
furt ist es gelungen, durch eine besonders wider-
standsfähige PEM-Folie die Betriebstemperatur auf
200°C anzuheben und damit die CO/CO2-Empfind-
lichkeit zu senken. Dadurch verbessern sich Lebens-
dauer und Wirtschaftlichkeit.
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, Auwärter, Neoplan etc.)
ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in Demonstrations-
programmen eingesetzt werden, um ihre Alltags-
tauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittelklassefahr-
zeuge mit dieser Technologie erreichen mit einer
Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite bis zu 400
Kilometern, annehmbare Höchstgeschwindigkeiten
und haben ein gutes Beschleunigungsvermögen.
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
die Lebensdauer der Membranen und die notwen-
digen niedrigen Fertigungskosten zu erreichen.
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
Abbildung: Daimler
13
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der
– wie Benzin – im Fahrzeugtank kompakt gespeichert
werden kann. Die DMFC arbeitet mit einem Kunst-
stoff-Folien-Elektrolyten wie die PEMFC. Allerdings
bereitet die Dichtigkeit der Membran-Folie hinsicht-
lich des Methanols noch Probleme. Die Betriebstem-
peratur liegt bei 80 bis 130°C; der elektrische Wir-
kungsgrad liegt bei 40 Prozent; der Bedarf an Edel-
metall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch.
Die DMFC bedarf noch Entwicklungsarbeit, um für
Fahrzeug-Einsätze wirklich interessant zu werden.
Ihre Zukunft für portable Brennstoffzellenanwendun-
gen wie in Laptops und Handys oder in Camping-
bussen scheint dagegen gewiss.
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.
Im Labor wird ein Aus-
waschtest durchge-
führt, durch den die
chemische Stabilität
einer Membran
bestimmt werden
kann: Diese gibt Aus-
kunft über die Lebens-
dauer der Membran-
Elektroden-Einheit
(MEA). Die MEA ist
das Herzstück der
Brennstoffzelle. Hier
finden die chemi-
schen Reaktionen
statt, die aus dem
Wasserstoff – also
dem Brennstoff – die
Energie herausholen.
Foto: BASF Fuel Cell
14
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) kön-
nen im KWK-Betrieb Strom und Dampf erzeugt wer-
den, was diesen Brennstoffzellentyp zur dezentralen
Energieversorgung für Kommunen und Industriebe-
triebe interessant macht. Etwa zwanzig MCFC-
BHKW-Anlagen sind inzwischen in unterschiedlichen
Anwendungen erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene
Gase aus Vergärungs- und Kläranlagen.
Weltweit einzigartig entsteht bis Ende 2010 in Mit-
telhessen eine MCFC-Hocheffizienz-Energiezentrale
am Universitätsklinikum Gießen zur sicheren Versor-
gung des Klinikums mit Strom, Wärme und Kälte.
Eingesetzt werden sollen u. a. eine Anlage mit
modernster Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, Gas-
motoren und Absorptionskältemaschinen. Eine
gemeinsame Hybrid-Steuerung sorgt für ein optima-
les Zusammenwirken der einzelnen Komponenten.
Ein Werk des Tognum-
Tochterunternehmens
MTU Friedrichshafen
GmbH wird mit Wärme
und Strom aus einem
Brennstoffzellen-Kraftwerk
mit Technologie von MTU
Onsite Energy versorgt.
Foto: 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.
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. Deutsche Energieversorger haben das
wirtschaftliche und umweltschonende Potenzial
erkannt, das die hocheffiziente Nutzung der Primär-
energie Erdgas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in
Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet. Test -
einheiten sind in der Erprobung, 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.
Foto: 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 Methanolpatro-
nen, erlauben vielfach deutlich längere Betriebszei-
ten und schnellen Speicherwechsel 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 von
Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH
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
Wasserstoff kann mit Tankwagen transportiert werden. Foto: Linde
Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und
Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden
Sie im Kompetenzatlas Brennstoffzelle 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 Entde-
ckung erzeugte Grove in einem
galvanischen Bad durch Zusam-
menführung von Wasserstoff und
Sauerstoff in „kalter Verbrennung“,
das heißt ohne Flammenbildung,
elektrischen Strom. Auch die gefürch-
tete Knallgasexplosion konnte nicht
stattfinden.
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 wurden, 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
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.
Abbildung: © Opel Classic Archiv der Adam Opel GmbH
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.
aus: 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
Foto: 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.
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 jüngst in Stuttgart in Betrieb genom-
men worden, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit
Wasserstoff zu versorgen. In den Ballungsräumen
der chemischen Industrie fällt Wasserstoff als
Nebenprodukt der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der
zunehmend zur Betankung von Fahrzeugen zur Ver-
fügung steht. Um die Mobilität von Fahrzeugen mit
Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb zu gewährleis-
ten, muss dieses Netzwerk weiter ausgebaut wer-
den. Die Tankstellen können entweder mit Tankwa-
gen oder über Pipelines mit Wasserstoff-Nachschub
versorgt werden.
VEDICHTETER WASSERSTOFF – SPEICHERUNG UND TRANSPORT
Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Foto: Zero Regio
Foto: 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. Foto: 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 Süd-
deutschland)
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 31) 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.
Foto: 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 sind Brennstoffzel-
len-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 liefern
diese Fahrzeuge derzeit wichtige Erfahrungswerte
über Alltagsbetrieb, 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.
In ihrem „World Energy Outlook“ von 2008 sieht die
IEA zwei zentrale Ansätze: die „Sicherung einer ver-
lässlichen und erschwinglichen Energieversorgung
und rasche Umstellung auf ein CO2-armes, leistungs-
fähiges und umweltschonendes Energiesystem.“
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. Speziell für den mobilen Einsatz in Fahrzeugen
bietet sich grundsätzlich die Brennstoffzelle an,
jedoch muss etwa die Haltbarkeit durch Forschung
und Entwicklung noch deutlich gesteigert werden.“
(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
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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
LOEWE — Landes-Offensive zurEntwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz
EUROPÄISCHE UNION:Investition in Ihre ZukunftEuropäischer Fonds fürregionale Entwicklung
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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).
ZWEI PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG NULL-EMISSION IN RHEIN-MAIN UND EIGENSTÄNDIGE DÖRFLICHE
ENERGIEVERSORGUNG IN MAROKKO
Zwei beispielhafte Projekte für den Einsatz von Was-
serstoff- und Brennstoffzellentechnologie, an denen
hessische Akteure beteiligt sind, zeigen, wie im
Zusammenspiel unterschiedlicher Unternehmen und
Institutionen zukunftsweisende Energieerzeugung
ohne Emissionen und aussehen kann. Beide Projekte
nehmen die globale Verant wortung für die Vermin-
derung von Kohlendioxid an: Zero Regio ist ein Pro-
jekt zwischen Regionen in Hessen und Italien.
Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Ener-
giesystemtechnik IWES hat im Rahmen von HYRESS
eine Anlage zur dezentralen Energieversorgung
eines Dorfes im Westen Marokkos gebaut.
32
Zero Regio – 16 Partner aus vier Ländern
Zero Regio steht für „Region mit Null Emissionen“ und
ist ein von der Europäischen Kommission gefördertes
integriertes Projekt innerhalb des 6. Forschungs -
rahmenprogramms. Unter der Leitung von Infraserv
Höchst engagieren 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 ist
es, emissionsfreie Transportsysteme für den alltäg -
lichen Einsatz in europäischen Ballungsräumen zu
entwickeln und zu erproben.
Ende 2006 wurde die erste öffentliche Wasserstoff-
tankstelle Hessens in Frankfurt eröffnet. Sie dient ins-
besondere der Versorgung von Brennstoffzellentest-
fahrzeugen, die auf dem Frankfurter Flughafenge-
lände im Einsatz sind und mit deren Hilfe die Alltags-
tauglichkeit dieser Technologie überprüft werden soll.
Langfristiges Ziel von Zero Regio ist es, die Abhän-
gigkeit von nicht-erneuerbaren Energien zu reduzie-
ren, die Schadstoffemissionen zu verringern und
durch Technologiefortschritte die breitere Anwen-
dung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechno-
logie in Europa voranzutreiben.
Insgesamt investieren die Projektbeteiligten, darun-
ter Unternehmen wie AGIP, Daimler, Linde, die italie-
nischen Energieunternehmen Eni, Sapio und CRF
sowie die Region Lombardei, rund 13,5 Millionen
Euro in Zero Regio. Hinzu kommen 7,5 Millionen
Euro Fördermittel der Europäischen Union.
www.zeroregio.de
Seit der Inbetriebnahme der Wasserstoff-Tankstelle
am Südrand des Industrieparks Höchst im Novem-
ber 2006 sind 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 Industriepark Höchst.
Im Rahmen des von der Europäischen Union geför-
derten und von Infraserv Höchst koordinierten
Projektes Zero Regio liefern die Fahrzeuge derzeit
wichtige Erfahrungswerte über den Alltagsbetrieb
und die Betankung eines Elektromobils.
Foto: Zero Regio
Ionischer Verdichter für Wasserstoff bis zu
900 bar bei Infraserv. Foto: Zero Regio
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Im Rahmen eines EU-Programms zur Förderung
der Kooperation von Mittelmeeranrainerstaaten im
Bereich Erneuerbare Energien wird seit Oktober
2006 das internationale Vorhaben HYRESS – Hybrid
Renewable Energy Systems for the Supply of Ser-
vices in Rural Settlements of Mediterranean Partner
Countries – gefördert.
Hybridsysteme oder kleine Netze zur dezentralen
Dorfstromversorgung werden als Pilotanlagen ent-
wickelt, installiert und getestet sowie abschließend
technisch und sozioökonomisch ausgewertet. Das
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energie -
systemtechnik, IWES, (vormals ISET) in Kassel hat
die Simulation der Systeme übernommen und im
Institut einen Energiespeicher aufgebaut, der aus
einem Elektrolyseur, einem Wasserstoffspeicher und
einer Brennstoffzelle besteht. Dieses System wird in
Marokko eingesetzt.
Das Dorf südlich von Casablanca verfügte bis dahin
über keine Stromversorgung, es besteht aus zehn
Haushalten, einer Schule und einer Moschee und
verfügt über zwei Brunnen. Ihren Lebensunterhalt
verdienen die Menschen dort mit Ackerbau, Vieh-
zucht und Fischerei. Die Menschen hier werden in
Zukunft mit Strom für Beleuchtung, Trinkwasser -
förderung und -gewinnung sowie für Kommunika -
tionstechnik versorgt.
www.iset.uni-kassel.de
Photovoltaik-Brennstoffzellen-Hybridsystem in Marokko
Das Dorf Lkaria in
Marokko wird mit
einem Brennstoffzel-
lensystem aus Kassel
mit Energie versorgt.
Foto: ISET Kassel
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Was-
serstoff in städtischen Versorgungsleitungen für
Hausheizungsanlagen, autonome Energieversor-
gung von Krankenhäusern durch eigene Brennstoff-
zellen-Blockheizkraftwerke – das sind keine fernen
Visionen, sondern könnte bald Realität sein. Die
Voraussetzung hierfür ist, dass die aktuellen Versu-
che erfolgreich verlaufen und die erforderlichen Mit-
tel in die Technologie 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 ENERGIE-TECHNOLOGIE VON MORGEN
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IMPRESSUM
Redaktion:
Anna-Kristin Kippels
Dr. Rainer Waldschmidt
HA Hessen Agentur GmbH
Bereich Wassertoff- und
Brennstoffzellentechnologie
Abraham-Lincoln-Straße 38-42
65189 Wiesbaden
Dr. Justus Brans
Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Dr. Joachim Wolf
Prof. Dr. Birgit Scheppat
Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Initiative Hessen e.V.
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.
Titelabbildungen:
istockphoto.com (Hintergrund)
vege, fotolia.com (Solarzellen)
Linde (Wasserstofftanks)
Stand: November 2009
Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden
Druck: ausDRUCK, Kassel
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr
für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die
Vollständigkeit der Angaben sowie für die
Beachtung privater Rechte Dritter.
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InitiativeHessen
www.hessen-agentur.dewww.H2BZ-Hessen.de
