Table Of ContentWasserstoff
als Energieträger
Technik, Systeme, Wirtschaft
Herausgegeben von C.-J. Winter und J. Nitsch
Zweite, überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 197 Abbildungen und 71 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1989
Prof. Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter
Dr.-lng. Joachim Nitsch
Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt
für Luft- und Raumfahrt e. V. (DFVLR), Stuttgart
ISBN 978-3-642-64864-9 ISBN 978-3-642-61538-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-61538-2
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Wasserstoff als Energieträger: Technik, Systeme, Wirtschaftjhrsg. von C.-J. Winter u. J. Nitsch.
[Autoren G.-H. Bauer ... ].-2., überarb. u. erw. Aufl.-
Paris; Tokyo: Springer, 1989
NE: Winter, Cari-Jochen [Hrsg.]
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©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986 und 1989
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Softcoverreprint ofthe hardcover2nd edition 1989
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Texterfassung: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft, Berlin;
Datenkonvertierung und Satz: Brühlsehe Universitätsdruckerei, Gießen
2362/3020-543210-Gedruckt auf säurefreiem Papier.
Autoren
Dr.-Ing. G.-H. Bauer* Kap. 5, Abschn. 7.8
Dr.-Ing. C. Carpetls Kap.9
Dipl.-lng. II. Ekhert Kap.4
Dr.-Ing. M. Fiseher Kap.4
Dr.-Ine. Dipl. Kfm. H. Klaiß Kap.13
Dr.-Ing. J. Nitsch Kap.1, 6, 10, 11, 12, 13
Prof. Dr.-Ing. habil. W. Peschka Kap.2
Dr. rer. nat. W. Schnuroberger Kap. 3, 8
Dipi.-Phys. W. Seeger Kap.8
Dipl.-PhYJI. H. Steeb Kap.8
Dr. rer. nat. C. Voigt Kap. 10, 11, 12
Prof. Or. rer. nat. H. Wendt** Ahschn_ 2.2.7.-7._? n, Kap 7
Prof. Dr.-Ing. C.-J. Winter Leitfaden
* Institut t'ür Physrka!Jsche Elektronik der Universität Stuttgart
** Institut für Chemische Technologie der Technischen Hochschule Durrn
stadt
Alle anderen: Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und
Raumfahrt e. V. Stuttgart
Vorwort zur zweiten Auflage
Unmittelbar nach Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches, ereignete sich die
Reaktorkatastrophe von Tschernobyl. Schlagartig wurde klar, daß große weltweite
Kernenergiesysteme, wie sie für den nennenswerten Ersatz fossiler Energiennutzung
gedacht waren, in ihren Zukunftsaussichten sehr eingeschränkt werden würden.
Immer häufiger wird Kernenergie seitdem als Übergangsenergie bezeichnet. Auch die
Gt:fähn::u fu~silt:r J?ut:rgit:uutL.uug für Umwdt um.l Klimä wc::nku dt:ullidJt:r. Dit:
Oeutsche Physikalische Gesellschaft und die Deutsche Meteorologische Gesellschaft
warnen vor weiterem sorglosen Umgang und drängen auf Reduzierung des C02-
Ausstoßes. - Doch die Menschheit braucht Energie; und muß doch gleichzeitig
strengere Kriterien an ihre Gewinnung, Umwandlung und Nutzung anlegen. Gibt es
Energieformen. die ökologisch weitgehend verträglich und ftir die Menschen akzepta
bel sind, die internationale Zusammenarbeit fördern und künftigen Generationen
keme unbezahlbaren Hypotheken aufbürden? Vie zudem den ansteigenden .tnergle
bedarf der Entwicklungsländer zu decken in der Lage sind, die doch gerade erst
beginnen, sich zu industrialisieren?
Erneuerbare Energiequellen-in ihren vielfältigen Erscheinungsformen können -
zusammen mit rationellen::r Nutzung und spar~amt::r Verwendung allt::r Ent::rgit::n -
eoineon Answeoe hieoteon. W:~sseorkr:~ft, Holz, ore;:~nisc.heo Ahfiilleo weorrleon seoit l:~ngem
genutzt, Windenergie kommt soeben hinzu. Die weitaus ergiebigste Quelle jedoch ist
die Strahlungsenergie der Sonne; noch nutzen wir sie kaum. Wärme und Elektrizität
können mit ihr in großen Mengen erzeugt werden. Wegen des schwankenden Sonnco
energieangebots ist jedoch die Verknüpfung mit der herkömmlichen Energieversor
gung zwingend erforderlich. Wenn dies an Grenzen stößt, bietet ein chemischer
.tnergieträger die tür eme moderne .tnerg~eversorgung unvemchtbare Speicher-und
Transportfiihigkeit, also die Kopplung von örtlich und zeitlich unterschiedener
Energieerzeugung und Energienutzung.
Wasserstoff hilft, das gewaltige Energiepotential der Sonne für die Menschen zu
erschließen. Bei dezentralen Anlagen in sonnenreichen Gebieten kann Wasserstoff
sicheren Betrieb mit T. :~ne;zeitspeichenme von Sonnenenere;ie ermöelichen Große
Sonnenenergieanlagen können mit seiner Hilfe räumlich und zeitlich an Energienach
frage und -verbrauchszentren angekoppelt werden, so daß vor allem einstrahlungs
reiche, ungenutzte Wüstengebiete zurVersorgungmit Energie genutzt werden können.
Die künfti2en drei EnergieversorllUngselemente - moderne rationelle Energie
verwendung, direkte vielfältige lokale Nutzung erneuerbarer Energiequellen sowie
Ihre großräumige .trschließung mittels leistungsfahiger Transport- und Speicher
techniken - sind konzipiert! In zahlreichen Studien, Gutachten, Pilot- und Demon
strationsobjekten wurden sie untersucht - auch das vorliegende Buch berichtet
VIII Vorwort Lut zweiten Auflage
darüber. Jahrzehnte sind nötig, diese Energieversorgung aufzubauen, und es wird nur
in gememsamer, mternatwnaler Anstrengung mögllch sem. Ohne einen entschlossenen
Einstieg heute gerade in "guten Zeiten" scheinbarer Entspannung der Energie
Versorgungssituation und niedriger Energiepreise - wird es jedoch nicht gehen.
Die rege Nachfrage nach der ersten Auflage dieses Buches läßt auf viel Interesse
und Aufgeschlossenheit gegenüber der prospektiven "Solaren Wasserstoffenergie
wirtschaft" schließen - so wie die zahlreichen Gespräche, die wir in der Zwischenzeit
mit Kollegen - Befürwortern, Skeptikern und Kritikern - mit Politikern, Journa
listen und Bürgern führten.
Un~crc grundsätzlichen Au~~agcn mußten wir nicht revidieren, ~ic geltennach wie
vor. Freilich muß vieles verfeinert. vertieft und ergänzt werden. Erfreulich ist, daß eine
wachsende Anzahl Kollegen in Forschung und Wirtschaft daran sind, sich ihre
Haltung zu Sonnenenergie und Wasserstoll zu erarbeiten, und daU alle politischen
Parteien hierzulande und die von ihnen berufenen Gremien sich des Konzeptes
annehmen, es erwägen und werten. Beide Enquete-Kommissionen des Deutschen
Bundestages der 11. Legislaturperiode, "Technikfolgenabschätzung" sowie "Schutz
der Erdatmosphäre", beschlossen, sich mit dem Wasserstoffenergiesystem auseinan
derzusetze.n. Wasserstoff und erst recht "solarer Wasse.rstofr' ist aus der energie
politischen Diskussion nicht mehr wegzudenken und wird seinen Platz in Entwürfen
der künftigen Energieversorgung der Menschheit finden.
All die:> ermutigt un:> zur zweiten, in einigen Teilen überarbeiteten und ergänzten
Auflage. Wir danken den Autoren für die Bereitwilligkeit, sich dieser Aufgabe zu
unterziehen und dem Springer-Verlag für seine geduldige Betreuung und Unterstüt
zung. Wir wünschen auch der zweiten Auflage wieder rasche Verbreitung, um
beizutragen, daß Wasserstoff als Energieträger verstanden und Gemeingut geworden
sein wird, wenn ansteht, über seine energiewirtschaftliche Einführung zu entscheiden.
Stungan, November 1988 Cari-Jochen Winter, Joachim Nitsch
Vorwort zur ersten Auflage
Die Technologien der energetischen Nutzung von Wasserstoff sind seit langem
bekannt. Weitaus weniger wurden die systemanalytischen, energiewirtschaftliehen
und ökologischen Aspekte seiner Einführung in Energiesysteme untersucht. Deshalb
ist in diesem Buch versucht worden, auf dem Fundament gesicherter technologischer
Erkenntnisse die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft aufzuzeigen. Ein besonde
res Auliegeu war es uan:ulegeu, wie sidr uiese Eulwid~o.luug duersdls iu lx:steheuue
Energieversorgungsstrukturen einfügt. wie sie aber andererseits auch zu einer
Weiterentwicklung des Energiesystems führt. Dazu war es erforderlich, den offen
sichtlichen Vorteilen von Wasserstoff als Energieträger den mit seiner Einführung
verbundenen Aufwund gegenüberzustellen.
Diese gesamtsystemare Betrachtungsweise führte zu einer dreiteiligen Gliederung
des Buches. Sie erleichtert gleichzeitig dem Leser eine rasche Orientierung auf die ihn
interessierenden Schwerpunkte.
Teil A begründet, warum es erforderlich ist, gegenwärtig über einen neuen
synthetischen Energieträger nachzudenken. Er beschreibt weiterhin die unentbehr
liche und an Bedeutung wachsende Rolle des Wasserstoffs als chemischen Rohstoff
uud erUiuterl Tedmologieu, die für ~eine euergetisdre Nutzung bereits vorhauden
sind oder noch weiterentwickelt werden müssen. Auch ist versucht worden nach
zuweisen, daß die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff den Umgang
mit diesem Energieträger erlauben.
Ausall dem wird ersichtlich so hoffen wir , daß Wasserstoff neben Elektrizität
der universell einsetzbare Energieträger einer zukünftigen nichtfossilen Energiever
sorgung sein könnte.
Teil B fragt nach den Herstellungsmöglichkeiten von Wasserstoff aus nichtfossiler
Primärenergie_ Einerseits wurde auf Vollständigke.it der Umwandlungspfade Wert
gelegt, andererseits sind die photovoltaische Stromerzeugung und die Wasserelektro
lyse vertieft behandelt worden, weil die Herausgeber in dieser Kombination eine der
aussichtsreichsten Möglichkeiten einer intensiven Sonnenenergienutzung in einstrah
lungsreichen Gebieten der Erde sehen. Von erheblicher Bedeutung ist es. die dynami
schen Effekte, wie sie bei der Nutzung der Primärenergie "Sonne" auftreten, zu
verstehen und zu beherrschen. Em Kapitel Widmet Sich dieser _Fragestellung.
Die technisch bereits bewährten Transport- und Speichertechnologien, die ein
internationales Wasserstoffsystem erst ermöglichen, werden einer systematischen
Kostenanalyse unterzogen.
In Teil C schließlich wird das Konzept einer zukünftigen Wasserstoffenergie
wirtschaft entworfen. Ein Szenario des Weltenergieverbrauchs und seine Aufteilung
auf Regionen setzt die Rahmenbedingungen für die zeitliche und mengenmäßige
X Vorwort zur ersten Auflage
Entwicklung des Wasserstoffsystems. Sonnenenergie, deren zentrale Nutzung un
trennbar mit Wasserstoll verbunden ist, stellt hierbei die Hauptenergiequelle dar;
gleichzeitig bedient sich der Wasserstoff der bestehenden Infrastruktur und nutzt
zunächst die Energiequellen Wasserkraft und Kernenergie. Von dezentralen Sonnen
energieanlagen mit Wasserstoff als Energiespeicher können sonnenreiche Länder mit
heute noch wenig entwickelter Energieinfrastruktur frühzeitig profitieren.
Die gründlich ermittelten Angaben zum Material-, Energie- und Kapitalbedarf
solarer Wasserstoffanlagen sind ermutigend und legen ein weiteres intensives Nach
denken und Forschen über diese aus ökologischer Sicht und aus Verfügbarkeits
gr·ünden äußcr:st attraktive Art der Energiebcreit:stdluug ucthc.
Das weitgespannte Untersuchungsgebiet verlangte Kompromisse in der Darstel
lung. Der Spezialist wird möglicherweise von der Darbietung seines Fachgebiets nicht
gänzlich zurnedengestellt sein, der Energieplaner mag einzelne technische Erörterun
gen als Ballast empfinden. Uns erschien es jedoch reizvoll und notwendig, den Aufbau
einer Wasserstoffenergiewirtschaft konsequent zu durchdenken und-basierend auf
den technischen Aussagen- die energiewirtschaftlichen, energiepolitischen und ökolo
gischen Auswirkungen und Erfordernisse anzusprechen, ohne die eine fundierte
Energieplanung heute nicht :mskommt.
Die einzelnen Kapitel des Buches sind von Wissenschaftlern und Ingenieuren
geschrieben worden, die in der angewandten Forschung und Entwicklung in Insti
tuten von Universitäten und Großforschung tätig :sind; sie zitieren Kollegen au:s
Wissenschaft und Industrie. welche an energetischen Fragestellungen des Wasserstoffs
arbeiten. Die umfangreiche Literatur ist ein Hinweis für die schon jahrzehntelange
Heschäftlgung mit dem potentiellen Energieträger Wasserstoll in aller Welt.
Die Heterogenität des Untersuchungsgebiets legt unterschiedliche Autorenschuf
ten für die einzelnen Themenkomplexe nahe. Die Autoren verantworten ihre jeweiligen
Kapitel. Wir, die Herausgeber- so sie nicht ebenfalls Autor sind- haben versucht, auf
dcm Wcg vun dcr Einzcltcchnik zum Gesamtsystem eine Richtschnur durch alle
Kapitel ozu oziehen. ohne ihnen ihre .,Farhe" 'Zll nehmen
Wir danken allen Autoren für eine anregende Zeit der wissenschaftlich-technischen
Auseinandersetzung, allen Helferinnen und Helfern - voran Frau C. Herholz,
Frau B. Hoffmann und Frau I. Schmid - für die Anfertigung des Manuskripts sowie
Herrn 0. Zureil für die Erstellung zahlreicher Zeichnungen; wir danken dem Springer
Verlag für gezeigten Langmut und die vorbildliche Einfügung dieses Buches in sein
umfassendes und angesehenes Programm.
Stuttgart, im Januar 1986 Carl-Jochen Winter, Joachim Nitsch
Inhaltsverzeichnis
Wasserstoff als Energieträger-ein Leitfaden (C. J. Winter)
Teil A: Bedeutung und Nutzungsmöglichkeiten von Wasserstoff 13
1 Energieversorgungsstrukturen und die Rolle gasf"örmiger Energieträger
(1. Nitsch) . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1 Struktur der Energienachfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Uer Energieverbrauch im weltweiten Vergleich . . . . . . . . . . 17
1.3 Verbraucherstrukturen und ihr Einfluß auf die Nutzungsmöglichkeiten
der einzelnen Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Energieressourcen und die Reichweite der verfügbaren Energiequellen 23
1.5 Anforderungen an zukünftige Energiesysteme 28
Literatur zu Kapitel 1 ?9
2 Techniken zur energetischen Verwendung von Wasserstoff
(VV. Pesehka; II. Wendt 2.2.2-2.2.6) ..... 31
2.1 Verbrennung von Wasserstoff . . . . . . . . 31
2.1.1 Reaktionsmechanismen und Schadstoftbildung . 31
2.1.2 Uroßfeuerungen mit Wasserstoff . . . . . . . 34
2.1.3 Wasserstoff-Luft-Brenner für Anwendungen in Haushalt und Gewerbe 35
2.1.4 Katalytische Heizer. . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.5 Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.6 Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung 40
2.1 Brennstoff7Pl1Pn 4?.
2.2.1 Überblick . . . . . . . . . . . .... . ... . 42
2.2.2 Prinzipien der elektrochemischen, kalten Verbrennung. 43
2.2.3 Reaktionstechnik und Elektrodenmorphologie 44
2.2.4 Konstruktive Merkmale der Zelle . . . . . 46
2.2.5 Elektrolythaushalt . . . . . . . . . . . . 46
2.2.6 Uesamtsystem der Hrennstoffzellenanlage und Systempreis . 47
2.2.7 Charakterisierung unterschiedlicher, kommerziell angebotener
Brennstoffzellensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 Stationäre Nutzungssysteme für Wasserstoff . . . . . . . . 51
2.3.1 Gasmulun:n und Bn:nnslufiballc:ric:n zur dc:zc:ulralc:n Strom- uud
Wärmeversorgung 'i1
2.3.2 Dezentrale Hausenergiesysteme 52
