Neugebauer Wasserstofftechnologien

1. Auflage 2022
ISBN: 978-3-662-64939-8
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 487 Seiten

Wasserstofftechnologien sind ein Schlüssel zur CO2-neutralen Wirtschaft: Sie liefern Lösungen für den weiteren Ausbau einer regenerativen Energieversorgung, für klimaneutrale Industrieprozesse und für nachhaltige Mobilität. Für Deutschland und Europa bedeuten sie eine Chance, industrielle Wertschöpfung zu erhalten, Exportchancen auszubauen und technologische Souveränität zu sichern. In diesem Buch stellt die Fraunhofer-Gesellschaft ihr Wissen und ihre Erfahrung entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft vor: von der Material- und Systementwicklung über die Produktion und das Upscaling der Systeme, die Anwendung in Energiewirtschaft, emissionsintensiven Industrieprozessen und Mobilität bis zu den praxisrelevanten Querschnittsthemen Sicherheit, Standardisierung und Lebensdauer.  



Prof. Dr.-Ing. Reimund Neugebauer ist der 10. Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. Er trat sein Amt am 1. Oktober 2012 an. Unter seiner Führung wuchs die Fraunhofer-Gesellschaft um circa 10.000 Mitarbeitende und rund 1 Milliarde Euro Budget.

Autoren/Hrsg.

Neugebauer, Reimund

Inhaltsverzeichnis

1;Inhaltsverzeichnis;5
2;1 Der Stoff, aus dem die Zukunft ist;14
2.1;1.1 Einleitung: Wasserstoff als Teil des Lebens;14
2.2;1.2 Wissenschaftliche Entdeckung und wirtschaftliche Nutzung;15
2.3;1.3 Wasserstoff als Energieträger;16
2.4;1.4 Perspektiven der Wasserstofftechnologien;17
3;2 In der Wasserstoffwirtschaft liegen viele Chancen;19
3.1;2.1 Wasserstoffnutzung heute und morgen;19
3.2;2.2 Wasserstoffmobilität als Problemlöser und Hebel;21
3.3;2.3 Eine klimaneutrale Industrie und ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf;23
3.4;2.4 Sektorkopplung – die nächste Phase der Energiewende;25
3.5;2.5 Deutschlands Platz in einer H2-Weltwirtschaft;27
3.6;2.6 Ausblick;29
3.7;Literatur;30
4;3 Potenziale einer Wasserstoffwirtschaft aus wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Perspektive;32
4.1;3.1 Wirtschaftliche Relevanz von Wasserstoff;33
4.2;3.2 Wertschöpfungspotenziale für die deutsche Industrie;34
4.3;3.3 Beitrag von Wasserstoff zur Erreichung von Klima- und Umweltzielen;40
4.4;3.4 Akzeptanz von Wasserstoff in der Gesellschaft;42
4.5;3.5 Nachfragepotenziale von Wasserstoff und wirtschaftliche Situation;46
4.6;Literatur;60
5;4 Einsatz von Wasserstofftechnologien im Energiesystem;63
5.1;4.1 Einleitung;64
5.2;4.2 Die Rolle von Wasserstoff und synthetischen Energieträgern im Energiesystem bis 2050;66
5.3;4.3 Regionale Aspekte von Angebot und Nachfrage: Mögliche Standorte der Elektrolyseure und der erneuerbaren Stromerzeugung;72
5.4;4.4 Direkte Wasserstofferzeugung aus Offshore-Windstrom aus europäischer Sicht;74
5.5;4.5 Anforderungen an das Übertragungsnetz in Deutschland;80
5.6;4.6 Fazit;88
5.7;Literatur;90
6;5 Einsatz von Wasserstofftechnologien in der Industrie;92
6.1;5.1 Stoffliche Nutzung von H2: Stahlindustrie;93
6.2;5.2 Stoffliche Nutzung von H2: Chemische Industrie;108
6.3;5.3 Industrien mit unvermeidbarem CO2-Anfall als zukünftige Rohstoffquelle;118
6.4;5.4 Energetische Nutzung von Wasserstoff in der Industrie;119
6.5;5.5 Einsatz von Wasserstoff in der Keramikindustrie;122
6.6;5.6 Ausblick;124
6.7;Literatur;126
7;6 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Mobilität und Transport;131
7.1;6.1 Einleitung;132
7.2;6.2 Wasserstofftechnologien für den Antriebsstrang;133
7.3;6.3 Synthetische Wasserstoffträger;139
7.4;6.4 Infrastruktur für H2-Technologien – Wasserstofftankstellen;147
7.5;6.5 Diskussion nach Mobilitätssektoren;148
7.6;Literatur;159
8;7 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Gebäuden;162
8.1;7.1 Anwendungsfälle und systemische Integration;162
8.2;7.2 Gebäude und Wärmeerzeuger – Bestand und Entwicklung;165
8.3;7.3 Wärmeerzeuger – Dezentrale Lösungen;168
8.4;7.4 Wasserstoff in Quartieren;170
8.5;7.5 Wasserstoff in Gasnetzen – Beimischung und Umstellung;171
8.6;7.6 Kosten und Wirtschaftlichkeit einer H2-basierten dezentralen Wärmeversorgung;174
8.7;Literatur;178
9;8 Wasserstoffinfrastrukturen – Netze und Speicher;181
9.1;8.1 Einleitung;182
9.2;8.2 Aufbau von Wasserstoffnetzinfrastrukturen;186
9.3;8.3 Transformation von H2-Inseln und H2-Tälern zu zusammenhängenden Netzen;191
9.4;8.4 Anforderungen an die Transformation von Infrastrukturkomponenten;194
9.5;8.5 Welche Herausforderungen und Lösungen ergeben sich für den Betrieb der Infrastrukturen?;198
9.6;8.6 Optionen geologischer Speicher;202
9.7;8.7 Weitere Speicheroptionen;205
9.8;Literatur;208
10;9 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren;213
10.1;9.1 Verfahren zur Wasserstofferzeugung;214
10.2;9.2 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse;217
10.3;9.3 Weitere innovative Verfahren zur Wasserstofferzeugung;247
10.4;9.4 Zusammenfassung und Ausblick;256
10.5;Literatur;257
11;10 Brennstoffzellen-Technologien;265
11.1;10.1 Einleitung;265
11.2;10.2 Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen;269
11.3;10.3 Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen;279
11.4;10.4 Direktmethanol-Brennstoffzellen;284
11.5;10.5 Alkalische Brennstoffzellen;286
11.6;10.6 Oxidkeramische Brennstoffzellen;287
11.7;10.7 Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen;296
11.8;Literatur;301
12;11 Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept;303
12.1;11.1 Brennstoffzellen;303
12.2;11.2 Elektrolyseur;325
12.3;Literatur;335
13;12 Standardisierung, Tests und Zertifizierung;337
13.1;12.1 Bedeutung der Standardisierung für die Wasserstofftechnologien;338
13.2;12.2 Übersicht zu Standardisierung, Akteuren und Prozessen;339
13.3;12.3 Existierende Normen im Bereich der Wasserstofftechnologien;344
13.4;12.4 Anwendungsbeispiele;350
13.5;Literatur;355
14;13 Unfallsicherheit und Lebensdauer – Materialien;357
14.1;13.1 Motivation: Wasserstoff als Energieträger;358
14.2;13.2 Unfallsicherheit und Lebensdauer: Hydrogen Embrittlement;361
14.3;13.3 Materialien und Mechanismen: Stahlwerkstoffe;362
14.4;13.4 Experimentelle Materialprüfung und theoretische Materialmodellierung;365
14.5;13.5 Diskussion: Hydrogen Readiness;369
14.6;Literatur;371
15;14 Sensorik und Sicherheit;373
15.1;14.1 Einleitung;374
15.2;14.2 Herausforderungen;376
15.3;14.3 H2-Sensortechnologien und Anwendungen;383
15.4;14.4 Sensoren für die zerstörungsfreie Prüfung;398
15.5;14.5 Zusammenfassung und Ausblick;404
15.6;Literatur;405
16;15 Digitalisierung und Simulation von Wasserstofftechnologien;409
16.1;15.1 Einleitung und Übersicht;410
16.2;15.2 Zukünftige Wasserstoffbedarfe und Integration in Energiemärkte;411
16.3;15.3 Modellierung und Simulation von Wasserstoff-Pipelines;415
16.4;15.4 Integration in verfahrenstechnische Prozesse;417
16.5;15.5 Optimiertes Stack-Design;421
16.6;15.6 Skalierung und Flexibilisierung durch Digitalisierung;424
16.7;15.7 Simulationsgestützte Gestaltung sicherer Wasserstoffinfrastrukturen;427
16.8;Literatur;429
17;16 Die internationale Dimension der Wasserstofftechnologien im Energiesystem;432
17.1;16.1 Relevanz von grünem Wasserstoff;433
17.2;16.2 Internationale Wasserstoffwirtschaft;434
17.3;16.3 Wasserstoffstrategien und -Roadmaps;436
17.4;16.4 Antreiber einer Wasserstoffwirtschaft;438
17.5;16.5 Internationaler Handel und Partnerschaften;439
17.6;16.6 Rahmenbedingungen und Designelemente für den Import von grünem Wasserstoff und Syntheseprodukten;441
17.7;16.7 Globale Erzeugungspotenziale für grünen Wasserstoff und synthetische Brenn- und Kraftstoffe;445
17.8;16.8 Schlussfolgerungen;453
17.9;Literatur;454
18;17 Ausblick und Perspektiven der Wasserstofftechnologien;457
18.1;17.1 Einleitung;458
18.2;17.2 Offshore-Wasserstoffproduktion – Wege zur Deckung zukünftiger Wasserstoffbedarfe;460
18.3;17.3 Der Weg der chemischen Grundstoffindustrie zur Klimaneutralität;466
18.4;17.4 Evolutionäre Fertigungstechnologien für Elektrolyseure;476
18.5;17.5 Handlungsoptionen für die Entwicklung einer systemischen Roadmap zur fundamentalen Skalierung der Elektrolyseurproduktion;478
18.6;Literatur;480
19;Glossar;485