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Hydrogen SolutionsIhr Partner für nachhaltige Wasserstofferzeugung

Wachstum Erneuerbare Energien werden weltweit immer wichtiger. Sie sind das Rückgrat einer nachhaltigen und CO

2-freien

Energiewirtschaft und damit Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung bis zum Jahr 2100. Ihr Anteil an der weltweiten Stromerzeugung wächst täglich. Doch wie lassen sich fluktuierende Energiequellen wie Sonne und Wind in bestehende Netze, kontinuierliche Industrie-prozesse und in eine flexible und individuelle Mobilität integrieren?

ElektrochemieDurch elektrochemische Prozesse lässt sich elektrische Energie direkt in chemische Energieträger wandeln – und umgekehrt! Der Vorteil ist, dass der Zwischenschritt der thermischen Energieerzeugung wegfällt und somit sehr hohe Wirkungsgrade zu erreichen sind.

Der wohl bekannteste elektrochemische Prozess ist die Batterie, mit der elektrische Energie fast ohne Ver luste zwischengespeichert werden kann.

Um elektrische Energie jedoch über einen längeren Zeit-raum hinweg zu speichern und sektorenübergreifend zur Verfügung zu stellen, bedarf es alternativer Energie träger.

Wasserstoff – Energieträger der Zukunft?Wasserstoff ist nicht nur der Energieträger der Zukunft – er ist der Energieträger der Gegenwart!

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Nahezu alle unsere chemischen Energieträger basieren auf Wasserstoff, wenn auch in gebundener Form, und zwar als Kohlenwasserstoffe oder andere Wasserstoff-verbindungen. Um die Klimaerwärmung aufgrund des weltweit wachsenden CO

2-Ausstoßes zu begrenzen,

müssen Lösungen gefunden werden, diese Energieträger CO

2-neutral und damit nachhaltig herzustellen. Dafür

bedarf es unter anderem der Herstellung von Wasserstoff auf Basis regenerativer Energien.

Erneuerbare Energien

Volatile elektrische Energie Netzintegration Umwandlung und Speicherung Anwendung

Energie

Mobilität

IndustrieWindkraft PEM-Elektrolyse

SpeicherungSolar

Netz-stabilisierung

ElektrolyseSchon im Jahr 1800 entdeckten zwei Engländer, William Nicholson und Anthony Carlisle, die Elektrolyse, also ein Verfahren, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dies gelang mithilfe von Gleichstrom. Damit begründeten die beiden Briten ein neues Feld der Chemie, die Elektrochemie.

Für viele Jahrzehnte war die Elektrolyse von Wasser die Standardmethode, um Wasserstoff herzustellen, und ver anlasste den französischen Schriftsteller Jules Verne 1874 in seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ zur Aussage: „Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ Durch die Entwicklung der Erdgas-Infrastruktur hat sich im Laufe der Jahre die Gas-Reformierung und die Kohlevergasung als Hauptquelle für Wasserstoff durchgesetzt.

Proton Exchange Membrane (PEM) ElektrolyseErstmals erkannten J. H. Russell und seine Mitarbeiter 1973 das große Potenzial der PEM-Elektrolyse für die Energiewirtschaft.

Der Name PEM ist abgeleitet von der protonenleitenden Membran, der sogenannten Proton-Exchange-Membrane. Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Damit übernimmt sie in einem elektrolytischen Prozess unter anderem die Funktion des Separators, der die Vermischung der Produktgase verhindert.

Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden ange-bracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungs-quelle verbunden sind. Hier findet die Wasserspaltung statt. Im Vergleich zur traditionellen Alkali-Elektrolyse ist die PEM-Technologie ideal geeignet, um Wind- und Sonnenstrom, der volatil, also unregelmäßig erzeugt wird, aufzunehmen, da eine hochdynamische Betriebsweise und ein schnelles Ein- und Ausschalten ohne Vorwärmen möglich ist. Außerdem zeichnet die PEM-Elektrolyse folgende Eigenschaften aus:

• Hohe Wirkungsgrade bei hohen Leistungsdichten

• Hohe Produktgasqualität auch in Teillast

• Wartungsarmer und zuverlässiger Betrieb

• Keine Chemikalien und Fremdstoffe

Umwandlung und Speicherung

„Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Strom + 2H2O → O2 + 2H2

PEMH

2O

O2

H2

Elektrode

H+

Kathode–Anode+

Weltweit werden jährlich über 600 Milliarden Kubik-

meter Wasserstoff benötigt, von denen mehr als 95 %

auf Basis fossiler Brenn-stoffe hergestellt werden.

Elekrolyse,Biomasse etc.

Fossile Rohstoffe

95%

5%

Anwendungen

IndustrieCa. 90 Prozent der weltweiten jährlichen Wasserstoff-erzeugung von über 600 Milliarden Kubikmeter werden in der Industrie benötigt. Dort ist Wasserstoff eine unver-zichtbare Chemikalie, die sowohl als Energieträger, Additiv oder als Reduktionsmittel dient. In erster Linie wird der Wasserstoff als Basischemikalie für die Synthese von Ammoniak und anderen Düngemitteln wie beispielsweise Harnstoff oder auch für die Synthese von Methanol, verschiedenen Polymeren und Harzen verwendet. Weitere Großverbraucher der heutigen Wasserstoffindustrie sind Raffinerien, die Metallindustrie, aber auch die Halbleiter-, Glas- und Nahrungsmittelindustrie.

EnergieNur ein geringer Teil des Wasserstoffs wird derzeit im Energiesektor verwendet. Und das, obwohl Wasserstoff als eine der vielversprechendsten Technologien bei der großflächigen Integration von erneuerbaren Energien gilt. Je mehr Strom aus fluktuierenden Energiequellen wie Sonne und Wind erzeugt wird und je stärker der Anteil konventioneller Stromerzeuger sinkt, desto wichtiger sind Veränderungen in den Energiesystemen. Schließlich muss die regenerativ erzeugte Energie auch in sonnen- und windarmen Zeiträumen zur Verfügung stehen. Hierfür ist es notwendig, Energie, auch über längere Zeiträume hinweg, zwischenzuspeichern. Eine Schlüsselrolle spielt dabei der Wasserstoff als Energieträger und Speicher-medium. Als passende Infrastruktur dient zum Beispiel das enorme Speicherpotenzial der Gasnetze.

Sogenannte Insellösungen lassen sich ebenfalls über eine Wasserstoffinfrastruktur realisieren. Das hoch-dynamische Systemverhalten der PEM-Elektrolyse eignet sich hervorragend für die direkte Kopplung an regenera tive Energien. Somit können Lastspitzen im Inselnetz abge-griffen und die Energie bei Bedarf in Gasturbinen oder über Brennstoffzellen rückverstromt werden.

Raffinerie

Metall-verarbeitung

Chemikalien

Andere

Wind Photovoltaik

Wasserstoffelektrolyse und Speicherung

Industrie

Energie

Netzstabilisierung

Mobilität

MobilitätEine der größten Herausforderungen der globalen De karbonisierung ist die Elektrifizierung der Mobilität. Wasserstoff kann über zwei Wege helfen, dies zu ändern. Mithilfe von Brennstoffzellenfahrzeugen kann Wasserstoff direkt genutzt werden – statt CO

2 und NO

x wird nur Wasser

emittiert. Zusammen mit Batteriefahrzeugen können dadurch nicht nur die Emissionen des lokalen Stadt-, sondern auch des Überlandverkehrs und des Leicht- und Schwertransports reduziert werden, da die Reichweite dieser Fahrzeuge signifikant höher ist als die von reinen Batteriefahrzeugen. Dabei dauert es nur drei Minuten, ehe der Tank wieder gefüllt ist.

Der zweite Weg ist die Synthese von Kohlenwasserstoffen aus nachhaltigem Wasserstoff mit Kohlenstoffen aus der Agrar- und Forstwirtschaft. Somit können auch Sektoren wie die Luft- und Schifffahrt mit hohen Anforderungen an ihre Kraftstoffe dekarbonisiert werden.

Er dient als Energieträger, mit dem elektrische Energie von wenigen Kilowatt- bis hin zu Gigawattstunden gespeichert werden kann, und das über einen Zeit-raum von mehreren Wochen. Anschließend kann er als Prozess gas in der Industrie und in der Mobilität als Treibstoff für emissionsfreie Brennstoffzellen genutzt werden.“ Gabriele Schmiedel, CEO der Hydrogen Solutions

Gravimetrische Energiedichte in kWh / kg

Wasserstoff

33,3 13,9 11,9 12,0 0,2

Methan Diesel Benzin Li-Ionen-Batterie

„Der Wasserstoff überzeugt durch seine Vielseitigkeit.

Herausgeber Siemens AG 2018

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Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Die Informationen in diesem Dokument enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerk male, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zu treffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragss-chluss ausdrücklich vereinbart werden.