Wasserstoff wird als wichtiger Bestandteil der Lösung zukünftiger Energieprobleme hervorgehoben. Zwei der führenden norwegischen Experten erklären, warum und wie.
Wasserstoff wird weltweit in Strom-, Heizungs- und Transportsystemen eingesetzt - auch in Norwegen. Der Grund ist, dass Wasserstoff vollständig ohne direkten Ausstoß von CO2 produziert und genutzt werden kann.
Hier beantworten Steffen Møller-Holst und Kyrre Sundseth, Forscher in Sintef, was Sie sich über Wasserstoff fragen könnten.
Wie entsteht Wasserstoff?
Wasserstoff wird derzeit hauptsächlich durch Reformierung von Erdgas erzeugt, kann aber auch durch Wasserelektrolyse erzeugt werden, erklären Sundseth und Møller-Holst.
Die Wasserelektrolyse ist eine bekannte Technologie, die in Norwegen seit dem Start der Anlage von Norsk Hydro in Rjukan im Jahr 1940 und ab 1953 in Glomfjord im industriellen Maßstab eingesetzt wird.
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mittels Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.
Wenn Wasserstoff auf diese Weise mit Strom aus Wasserkraft, Solarzellen oder Windkraftanlagen erzeugt wird, ist dies völlig CO2-frei.
Die Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem Strom, beispielsweise aus Windkraft oder ungeregeltem Kleinstrom, ist daher eine clevere Möglichkeit, Energie zu speichern, die sonst verloren gehen würde. Damit arbeitet Sintef im Windpark Raggovidda in der Finnmark.
Die zweite Hauptmethode der Wasserstofferzeugung ist die Reform des Erdgases. In der Praxis bedeutet dies, Methangas - den wertvollen Hauptbestandteil von Erdgas - mit Wärme und Wasserdampf in Wasserstoff und CO2 umzuwandeln.
Bei dieser Methode spielen Membranen eine wichtige Rolle, die vielfach erforscht ist, da die Trennung mittels Membrantechnologie den Energieverbrauch im Prozess senkt.
Die sogenannte Methanreformierung erfordert jedoch, dass das CO2 gesammelt und gespeichert wird, damit die Lösung klimafreundlich wird. Norwegens Erdgasreserven haben ein großes Potenzial, wenn es uns gelingt, das CO2 zu fangen und zu speichern.
Ist Wasserstoff gefährlich?
- Nein. Wasserstoff ist ein farbloses und geruchloses Gas und an sich nicht gefährlich. Aber wenn es unter Druck steht, besteht das Risiko, dass es auch für andere energiereiche Gase gilt, sagt der Wasserstoffwissenschaftler Kyrre Sundseth in Sintef.
Wasserstoff ist nicht gefährlicher als andere Kraftstoffe wie Benzin, aber wir müssen den Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften handhaben.
- In Norwegen haben wir fast 100 Jahre Erfahrung im Umgang mit Wasserstoff im großen Maßstab. Wasserstoff ist ein Gas, das leichter als Luft ist und aufsteigt.
Bei Fahrzeugen wird dies berücksichtigt: Es wurden Sensoren eingebaut, die sehr früh vor einer möglichen Undichtigkeit warnen, und die Wasserstofftanks sind so angeordnet, dass bei einem Zusammenstoß das geringstmögliche Risiko besteht.
Die Kraftstofftanks sind mit Kohlefaser verstärkt und sehr robust. Sie sind auch so ausgelegt, dass ein temperaturempfindliches Sicherheitsventil den Wasserstoff im Brandfall kontrolliert abgibt, erklärt der Forscher.
Sind Brennstoffzellen eine unausgereifte Technologie?
- Nein, Brennstoffzellen sind derzeit in mehreren tausend wasserstoffbetriebenen Personenkraftwagen der Marken Hyundai, Toyota und Honda im Handel erhältlich. Diese Brennstoffzellenautos wurden Langzeittests unterzogen und sind technologisch ausgereift, sagt Sundseth.
Toyota fuhr 2015 100.000 Kilometer seines Mirai-Wasserstoffautos ohne technische Probleme. Toyota hat die Kosten für Brennstoffzellen zwischen 2008 und 2014 um 95% gesenkt. Die Kosten für Brennstoffzellen gehen stetig zurück, aber weitere Reduzierungen hängen stark von der Massenproduktion ab. Bei einem heutigen Produktionsvolumen von einigen Tausend pro Jahr sind Brennstoffzellen immer noch teurer als Verbrennungsmotoren.
Wasserstoff (H) hat im Periodensystem die Ordnungszahl 1 und ist das leichteste Element von allen. Bei Standardtemperatur und -druck wirkt Wasserstoff als Gas, das aus zwei Atomen besteht (H2). Wasserstoff ist das wichtigste Element im Universum und es wird angenommen, dass er bis zu 75 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht. Auf der Erde kommt Wasserstoff normalerweise in Kombination mit Sauerstoff vor und bildet Wasser. Abbildung: Thinkstock.
Ein Beispiel für die Technologie, die in Norwegen im täglichen Einsatz ist, ist Asko, das Großhandelsunternehmen von NorgesGruppen. Sie haben Elektro- und Wasserstoffautos zu einem Schwerpunkt gemacht. Im Großhandelslager in Trondheim sind bereits wasserstoffbetriebene Gabelstapler im Einsatz, und im Herbst rollen die ersten mit Wasserstoff betriebenen Lastwagen von Asko aus Scania auf norwegischen Straßen.
- Der Grund dafür ist, dass die Wasserstofftechnologie ein großes Potenzial als emissionsfreie Option für Lastkraftwagen mit hohen Lasten auf größeren Entfernungen bietet. Während Elektrofahrzeuge, die Energie aus Batterien sammeln, besser für die städtische Verteilung geeignet sind, sagt der leitende Forscher.
Der Wasserstoff-Asko-Nutzer wird aus Solarzellen hergestellt, die auf dem Dach seines Distributionslagers in Trondheim montiert sind und im Werk in Tanks gelagert werden. Das Pilotprojekt von 2017 bis 2019 umfasst den Einsatz von vier Wasserstoff-LKWs und zehn Gabelstaplern im Kühl- und Gefrierlager des Unternehmens.
Darüber hinaus haben Felleskjøpet, TINE und Posten Nikola-Tre-Trucks vorbestellt, die ebenfalls mit Wasserstoff fahren.
Ist Wasserstoff vor allem für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet?
- Nein. Ein gutes Beispiel ist in Japan. In den Häusern sind 250.000 Brennstoffzellen installiert, um Strom und Wärme zu erzeugen. In den USA laufen mehr als 18.000 wasserstoffbetriebene Gabelstapler in Verteilzentren und Lagern, sagt Steffen Møller-Holst.
In immer mehr Ländern werden Elektrolyseanlagen eingesetzt, um das Stromnetz in Regionen auszugleichen, in denen ein großer Anteil an Sonnen- und Windenergie vorhanden ist. Bei niedrigen Strompreisen ist es sinnvoll, in Zeiten von Stromüberschüssen aus erneuerbaren Quellen Wasserstoff zu produzieren. Sintef koordiniert das EU-Projekt Refhyne , in dem im Herbst die weltweit größte PEM-Elektrolyseanlage (10 MW) in Deutschland in Betrieb genommen wird.
- In Europa gibt es tatsächlich immer mehr Beispiele für negative Strompreise in bestimmten Zeiträumen. Dann ist es klug, Wasserstoff zu machen und diesen als Brennstoff zu verwenden oder in Zeiten, in denen man für die Energie gut bezahlt wird, wieder Elektrizität zu erzeugen, erläutert Møller-Holst.
Es werden auch Konzepte für wasserstoffbetriebene Schiffe entwickelt, von kleinen Fischerbooten bis zu großen Kreuzfahrtschiffen. SINTEF arbeitet mit der Werft Fiskarstrand an der Entwicklung einer Wasserstofffähre im Rahmen des HybridSkip-Projekts. Norled hat kürzlich den Auftrag zum Bau einer Wasserstofffähre im Auftrag der norwegischen öffentlichen Straßenverwaltung erhalten.
Die Prozessindustrie nutzt heute Kohle als Reduktionsmittel. Dieser Kohlenstoff kann durch Wasserstoff ersetzt werden und die CO2-Emissionen aus dem Prozess eliminieren. Das Unternehmen TiZir Titanium & Iron AS in Tyssedal plant nun, Kohle durch Wasserstoff zu ersetzen, während mehrere Aluminiumhersteller außerhalb Norwegens die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff für die Stromerzeugung und die Wärmeerzeugung in ihren Prozessen in Betracht ziehen.
Gleichzeitig sehen die Akteure der norwegischen Öl- und Gasindustrie die Möglichkeiten, die CO2-Emissionen durch den verstärkten Einsatz von Wasserstoff in ihren Prozessen oder für die Offshore-Stromerzeugung zu senken.
Werden wir bald Wasserstoff-Flugzeuge auf der Strecke sehen?
Es wird wahrscheinlich fünf bis zehn Jahre dauern, bis wir Wasserstoffflugzeuge im regulären Linienverkehr sehen. In den letzten 10 Jahren wurde eine Reihe von Prototypen von Wasserstoffflugzeugen getestet. 2017 wurde in Deutschland ein Viersitzer mit einer Reichweite von 750 km vorgeführt. Ein zwölf- und ein 40-sitziges Flugzeug, das zwischen 400 und 1000 km fliegen kann, sind in Planung.
Für alles, was in der Luft schwebt, ist das Gewicht des Kraftstoffs und der Motoren entscheidend. Für längere Strecken sind Wasserstoff und Brennstoffzellen viel leichter als Batterien. Beide Lösungen verwenden Elektromotoren, die kompakt und leicht sind, aber auf absehbare Zeit erheblich schwerer bleiben werden als die heute verwendeten Flüssigbrennstoffe und Gasturbinen. Alle drei Lösungen werden jedoch eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Luftverkehrsemissionen spielen.
Im Jahr 2030 können kleinere batterieelektrische Flugzeuge mit bis zu 20 Passagieren Strecken mit einer Flugzeit von bis zu einer halben Stunde bedienen, beispielsweise die Melkstrecke von Widerøe zwischen Tromsø und Kirkenes, sofern die Batterien bei jeder Zwischenlandung in Sørkjosen, Honningsvåg, Mehamn, Berlevåg und Sørkjosen geladen werden Vadsø. Wasserstoff wird für größere Flugzeuge in kurzen und mittleren Entfernungen bis zu 2500 km geeignet sein. Für die größten Flugzeuge und für wirklich große Entfernungen (z. B. von Europa nach Asien oder in die USA) werden wir wahrscheinlich im Jahr 2030 noch konventionelle Flugzeugmotoren (Gasturbinen) verwenden, jedoch mit Biokraftstoffen aus nachhaltigen Quellen befeuert.
Sind wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen eine Technologie, die in absehbarer Zukunft jeder nutzen wird?
"Der Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffzellen wird in Zukunft deutlich zunehmen", sagt Kyrre Sundseth.
Das Hyundai Wasserstoffauto Nexo kostet heute 580.000 SEK. Es ist kleiner als ein Tesla und die Reichweite des Wasserstoffautos beträgt 700 km. Die norwegische Infrastruktur für Wasserstoffautos ist jedoch sehr begrenzt - heute ist es nur noch möglich, Wasserstoff in der Region Oslo, in Bergen und in Trondheim zu tanken. Dies wird sich jedoch ändern, da die Anforderungen für 0-Emissionen verschärft werden. Hier werden Wasserstofffahrzeuge zusammen mit batterieelektrischen Fahrzeugen ein wichtiger Bestandteil der Transportlösung.
Wasserstoff ist, wie erwähnt, vorteilhaft für große Fahrzeuge, die lange fahren und viel Last haben. Tatsächlich haben die neuen Wasserstoff-Lkw von Asko eine etwas höhere Ladekapazität als die Dieselversion und eine Reichweite von 400 km. Ein ähnlicher batterieelektrischer LKW hat eine verringerte Ladekapazität und eine Reichweite von 100 bis 150 km.
So funktioniert eine Brennstoffzelle - das Minikraftwerk in Wasserstoffautos: Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff und Sauerstoff (aus Luft) in elektrischen Strom, Wasser und Wärme um. Wasserstoff emittiert Elektronen (e-) und wird an der Anode zu Protonen (H +). Die Protonen wandern durch die Membran, während die Elektronen durch den Elektromotor des Autos zur Kathode fließen. Dort kollidieren die Elektronen mit den Protonen und einem Sauerstoffatom und bilden Wasser. (Illustration: Raymond Nilsson / Sintef)
So funktioniert eine Brennstoffzelle - das Minikraftwerk in Wasserstoffautos: Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff und Sauerstoff (aus Luft) in elektrischen Strom, Wasser und Wärme um. Wasserstoff emittiert Elektronen (e-) und wird an der Anode zu Protonen (H +). Die Protonen wandern durch die Membran, während die Elektronen durch den Elektromotor des Autos zur Kathode fließen. Dort kollidieren die Elektronen mit den Protonen und einem Sauerstoffatom und bilden Wasser. (Illustration: Raymond Nilsson / Sintef)
Benötigt Wasserstoff eine teure Infrastruktur?
Die Infrastruktur für Wasserstofffahrzeuge ist etwas billiger als für wiederaufladbare Fahrzeuge, wenn beide eine hohe Auslastung aufweisen. Die Rentabilität in Wasserstoff-Wertschöpfungsketten erfordert daher Volumen, fügt Sundseth hinzu:
- Wir sollten die Entwicklung der Nachfrage nach Wasserstoff im Großen und Ganzen betrachten: Straßenverkehr, Seeverkehr und Industrie müssen im Kontext gesehen werden. Dann können Produktion und Vertrieb schrittweise und kostengünstig ausgebaut und die Nachfrage jederzeit befriedigt werden.
Damit eine Wasserstofftankstelle rentabel ist, muss sie laut Untersuchungen von Sintef und NTNU zu etwa 75 Prozent ausgelastet sein.
- Aber das ist schwierig zu bekommen, weil es immer noch wenige Autos "da draußen" gibt. Hier haben wir immer noch ein Henne-Ei-Problem.
Einer der Vorteile von Wasserstoff besteht darin, dass er in ländlichen Gebieten erzeugt werden kann, beispielsweise aus lokalen Kleinkraftwerken. Auf diese Weise müssen wir den Wasserstoff nicht über weite Strecken transportieren. Dies kann zur lokalen und regionalen Wertschöpfung bei Ferkeln beitragen.
Wie hoch ist der Energieverlust bei der Produktion von Wasserstoff?
Der Energieverlust bei der Herstellung von Wasserstoff liegt bei rund 30 Prozent, sowohl bei Strom als auch bei Erdgas. Der Energieverlust wird in Form von Wärme aus dem Elektrolyseur freigesetzt und diese kann vorteilhaft genutzt werden. Batteriebetriebene Elektroautos verbrauchen zwischen 70 und 90 Prozent des Stroms, den sie bei optimalen Bedingungen laden, während ein Wasserstoffauto 30-40 Prozent verbraucht. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen haben jedoch im Vergleich zu einem Dieselmotor einen höheren Wirkungsgrad. Die Werte für Wasserstoff in der Brennstoffzelle liegen bei 40 bis 65 Prozent, verglichen mit 25 bis 45 Prozent für Diesel, abhängig von der Motorgröße.
Die Verwendung von Elektrizität direkt oder in einer Batterie ist daher die energieeffizienteste Lösung für den Antrieb eines Fahrzeugs. Die Notwendigkeit, mehr Energie als in einer Batterie möglich einzusparen und den Tank schnell zu füllen, sind gute Gründe für eine Investition in Wasserstoff . Darüber hinaus ist es wichtig zu bedenken, dass wenn Sie überschüssigen Strom, beispielsweise aus Wind, zur Erzeugung von Wasserstoff verwenden, dies Energie ist, die andernfalls verloren gegangen wäre.
Warum wird Wasserstoff als Lösung zur Erweiterung des norwegischen Öl- und Gasabenteuers genannt?
Die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas kann Norwegen einen hohen Wert verleihen, wenn das CO2 aufgefangen und gespeichert wird. Gelingt uns dies, kann Norwegen reinen Wasserstoff nach Europa exportieren und gleichzeitig neue Arbeitsplätze in der Wasserstoffproduktion sowie in der CO2-Abscheidung und -Speicherung schaffen. Lesen Sie mehr dazu in diesem Artikel von Sintefs Nachhaltigkeitsdirektor Nils Røkke, der ebenfalls in Dagens Næringsliv war.
Können Sie "Hybridautos" bekommen, die sowohl mit elektrischen Batterien als auch mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen fahren?
- Der Mercedes-Hersteller hat bereits ein solches Hybrid-Wasserstoffauto vorgeführt. Es hat eine elektrische Reichweite von 50 km und läuft mit Wasserstoff etwa 500 km. Alle Wasserstoffautos sind tatsächlich Hybride, da sie einen kleinen Akku haben, der beim Bremsen aufgeladen wird. Der Strom aus der Batterie wird zur Beschleunigung genutzt und spart so Kraftstoff, also Wasserstoff, sagt Steffen Møller-Holst.
Sie können Wasserstoff auch als Bereichserweiterung für Elektrofahrzeuge verwenden. Gemeinsam mit Bosch entwickelt Sintef im EU-Projekt GiantLeap eine solche Lösung für Busse.
- In Sintef forschen wir, wie bereits erwähnt, an Hybridsystemen für Wasserstofffähren. Wir glauben, dass diese Lösung in der Schifffahrt an erster Stelle steht. Sintef hat mathematische Modelle entwickelt, um solche Systeme zu dimensionieren. Eines der Dinge, die wir hier betrachten, ist das Verhältnis von Brennstoffzellen zu Batterien. Die Wahl hängt davon ab, was optimal ist, wie weit das Boot segeln wird, welchen Strombedarf es hat und welche Möglichkeiten zum Laden der Batterien bestehen, fügt Kyrre Sundseth hinzu.
Ist der Wasserstoff die Lösung für "alles"?
Nein. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass Wasserstoff ein sehr wichtiger Bestandteil des Energiemixes im nachhaltigen Energiesystem der Zukunft wird, glauben die Forscher.
Die Internationale Energieagentur (IEA) hat im Juni diesen Jahres einen Bericht veröffentlicht, der dies bestätigt. Wasserstoff ist auch eine der Säulen, die vorhanden sein müssen, damit Europa im Jahr 2050 klimaneutral sein kann . Norwegen hat natürliche Bedingungen, um ein bedeutender Produzent und Exporteur von Wasserstoff zu werden, basierend auf unseren großen Erdgas- und erneuerbaren Energiequellen.
Wasserstoff hat sich als besonders gut für die Reduzierung von Emissionen aus der Industrie, aber auch für den Fernverkehr erwiesen. Elektroautos bleiben die beste Lösung in städtischen Gebieten und kleineren Fahrzeugen und Schiffen.
"Als Forscher werden wir schließlich betonen, dass sowohl Batterietechnologie als auch Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie Biokraftstoffe benötigt werden, um die ehrgeizigen Klimaziele im Verkehrssektor zu erreichen", sagt Steffen Møller-Holst.
https://forskning.no/energi-fornybar-energi-klima/...hydrogen/1359513
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