Solarer Wasserstoff

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine vollständige energetische Prozesskettenanalyse von der solaren Stromerzeugung über die Wasserstofferzeugung und Speicherung bis hin zur Anwendung im Fahrzeug durchgeführt. Dabei wurden neben den Energieaufwendungen auch die CO2-Emissionen bilanziert und die Kosten für die Bereitstellung des Wasserstoffes abgeschätzt. Die vergleichende Gegenüberstellung der ermittelten Daten mit denen der substituierbaren konventionellen oder anderen alternativen Treibstoffe ermöglicht eine Beurteilung des solaren Wasserstoffes, weshalb ein Vergleich der Ergebnisse mit Prozesskettenanalysen von Benzin und Flüssigwasserstoff aus Biomasse durchgeführt wurde.

Allgemeiner Kontext und Zielsetzung

Der steigende Energiebedarf durch die wachsende Bevölkerung auf der Erde, die voraussehbare Erschöpfung der endlichen Vorräte an fossilen Brennstoffen sowie ökologische Wirkungen des anthropogenen Energieumsatzes setzen einer sinnvollen, langfristigen und nicht nur am Tagesgeschäft ausgerichteten Entwicklungsstrategie zwei Leitlinien:

  • Entwicklung von Techniken, die den spezifischen Energiebedarf in allen Stufen der Umwandlungskette vom Primärenergieeinsatz bis hin zur Nutzenergie reduzieren, um insgesamt zu einem rationelleren Energieeinsatz zu kommen.
  • Entwicklung von Techniken zur Nutzung nicht erschöpflicher Energiequellen.

Die oft diskutierte solare Wasserstofftechnik wird den genannten Anforderungen auf den ersten Blick in idealer Weise gerecht. Es wird die unerschöpfliche Energiequelle Sonne zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser genutzt und bei der Verbrennung bzw. Umwandlung entsteht wieder unschädliches Wasser.

Diese stark vereinfachte Aussage stellt jedoch nur den idealen Grundgedanken einer solaren Wasserstoffwirtschaft dar, bei genauerer Betrachtung entpuppt sie sich als äußerst komplexes Gebilde mit vielen Einflussparametern. Diese reichen vom Standort für die solare Wasserstofferzeugung mit den damit verbundenen Transportwegen zu den Verbrauchern über die eingesetzten Techniken zur Nutzung der Solarstrahlung, der Wasserstofferzeugung, des Transports und der Verteilung mit ihren Herstellungs- und Betriebsaufwendungen bis hin zur Art der Speicherung und Nutzung. Jede Technik und jeder Verfahrensschritt ist mit Aufwendungen materieller, energetischer und monetärer Art verbunden und verursacht Emissionen bei der Herstellung und auch während des Betriebs.

Vorgehensweise

In einem ersten Schritt werden anhand der verfügbaren Literatur und eigener energietechnischer Erhebungen die Einzelverfahren von solaren Wasserstoff-Prozessketten untersucht. Dazu zählen neben verschiedenen solaren Stromerzeugungsverfahren unterschiedliche Techniken zur Wasserstofferzeugung und -verflüssigung. In Abstimmung mit Anlagenbetreibern und -herstellern werden Energieaufwendungen für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung von Abfallstoffen bzw. von Maschinen und Geräten am Ende ihrer Nutzungsdauer quantifiziert. Neben einer Bilanzierung des Endenergieeinsatzes bei den einzelnen Schritten werden unter Ansatz der Bereitstellungsnutzungsgrade für die Erzeugung der Endenergie auch die zugehörigen Primärenergieaufwendungen bestimmt.

Die untersuchten Einzelschritte werden zu ausgewählten Prozessketten zusammengeführt, um die bestmögliche Variante einer solaren Wasserstoffenergiewirtschaft zu eruieren. Der modulare Aufbau der Studie ermöglicht die Zusammenstellung verschiedener Energieversorgungspfade und deren Bewertung. In Abbildung 1 sind die bedeutendsten der untersuchten Module einer solaren Wasserstoffenergiewirtschaft für den Verkehr schematisch dargestellt.

Abbildung 1:Übersicht über die analysierten Prozessschritte einer solaren Wasserstoffenergiewirtschaft

 

Ergebnisse

Für den Vergleich der im Rahmen dieser Untersuchung bilanzierten Prozessketten werden folgende Referenzsysteme gegenübergestellt:

  • Flüssigwasserstoff aus Biomasse: Der Wasserstoff wird in Deutschland dezentral in einer Vergasungsanlage aus Energiepflanzen gewonnen. Die Verflüssigung erfolgt mit Strom aus dem deutschem Netz. Die Endverteilung und Betankung entspricht dem der solaren Wasserstoffsysteme.
  • Ottokraftstoff (Benzin) aus Mineralöl als Repräsentant eines fossilen Kraftstoffes.

Da die Prozessketten für die solaren Systeme den Stand der Technik im Jahr 2025 szenarisch darstellen, war es für die Referenzsysteme erforderlich, ebenfalls ein Szenario 2025 abzuschätzen. Bei der Wasserstoff-Prozesskette beeinflusst vor allem die Verflüssigung und damit die Strombereitstellung für die Verflüssigung das Ergebnis maßgeblich. Dies bedeutet, der zugrunde gelegte deutsche Strommix bestimmt das Ergebnis.

In Abbildung 2 ist der Erntefaktor und der Bereitstellungsnutzungsgrad für die untersuchten Prozessketten im Vergleich zu Benzin und zu Flüssigwasserstoff aus Biomasse angegeben. Beide Kenngrößen sind ein Maß für die Energieeffizienz; im Fall des Erntefaktors werden jedoch nur die nicht-regenerativen Aufwendungen bewertet. Der Bereitstellungsnutzungsgrad dagegen setzt den Energieinhalt des Kraftstoffes beim Endverbraucher zum Kumulierten Energieaufwand entlang der Prozesskette ins Verhältnis.

Abbildung 2:Erntefaktor und Bereitstellungsnutzungsgrad im Vergleich

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