Biowasserstoff

Wasserstoff-
herstellung

Filiformkorrosion
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Strangregulierventil


Wasserstoffnutzung
in der Haustechnik

Da die Sicherheitsanforderungen (Wasserstoff ist leichter als Luft und breitet sich deshalb bevorzugt nach oben aus und verteilt sich wegen seiner hohen Diffusivität sehr schnell) bei der Lagerung und Verwendung von Wasserstoff gegenüber anderer gasförmiger Energieträger (Erdgas, Propan, Methan) erheblich höher sind, ist der Einsatz in der Haustechnik noch in den Kinderschuhen.

Wasserstoff kann auch heute schon alle flammengebundenen Verbrennungen mit hohen Temperaturen (Heizöl, Erdgas, Diesel, Benzin, Holz und Kohle) für die Raumheizung, Trinkwassererwärmung, thermische Kraftwerke, Motoren und Prozesswärme ersetzen. Dazu müssen die bewährten und ausgereiften Wasserstoff-Technologien modifiziert werden, damit sie den Anforderungen an eine effiziente, schadstoffarme und sichere Energieumsetzung entsprechen.
So ist z. B. die katalytische Verbrennung (flammenlose Verbrennung) möglich, bei der der Wasserstoff an geeigneten Katalysatoroberflächen (Nickel, Platin) bereits bei Umgebungstemperaturen oxidiert und bei Temperaturen unter 500 °C praktisch keine Stickstoffoxid-Emissionen aufweist.

Wasserstoff kann in Brennstoffzellen, Wasserstoffbrennern, katalytischen Brennern, BHKW's (Motor), Verbrennungsmotoren (PKW, LKW) und Gasturbinen (Flugzeug) eingesetzt werden.

Wasserstoffnutzung im Industrie-, Energie- und Mobilitätssektor - Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
Wasserstoff: Schlüsselelement für die Energiewende - BMWi - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Wasserstoff und die magische Grenze von 3 €/kg  - Dr. Jens Hanke / Graforce Hydro GmbH
Skript zur Vorlesung über Wasserstofftechnologie - Dr.-Ing. Thomas Jordan

Wasserstoff
Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente und kommt als atomarer Wasserstoff unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht vor. Hier liegt Wasserstoff in der dimerisierten Form als molekularer Wasserstoff H2 vor. Es ist ein hochentzündliches, farb- und geruchloses Gas. Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers (H2O) und fasst aller organischen Verbindungen.
Beim Mischen mit Luft zu 4 bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O2 und H2 kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. Zur Wasserstoffgewinnung wird die Elektrolyse von Wasser eingesetzt. Hier wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

2 H2=>   2 H2 + O2

Eigenschaften:
Wasserstoff ist nicht giftig, ätzend oder radioaktiv
Wasserstoff verunreinigt kein Wasser
Wasserstoff schädigt weder Natur noch Umwelt
Wasserstoff verfügt gegenüber Erdgas und Heizöl über die höchste Energiedichte pro Kilogramm (Wasserstoff 33,3 kWh/kg, Erdgas 13,9 kWh/kg, Heizöl 11,4 kWh/kg)
Wasserstoff kann CO2-neutral erzeugt und verbrannt werden und ist damit absolut klimafreundlich

Richtig eingesetzt, ist es Grundlage der Brennstoffzellen und Wasserstoffbrenner, katalytischen Brennern, BHKW's (Motor), Verbrennungsmotoren (PKW, LKW) und Gasturbinen (Flugzeug) eingesetzt werden.

Wasserstoff - LUMITOS AG
Eigenschaften von Wasserstoff - Steckbrief - Hydrogeit / Dipl.-Ing. Sven Geitmann
Wasserstoff - Brennstoff mit Zukunftspotenzial
Wasserstoff - Herstellung, Speicherung, Ausblick - die Brennstoffzelle.de
Wasserstofftechnik - sera GmbH

Wasserstoffherstellung
Die Herstellung des molekularem Wasserstoffs (H2) kann mit verschieden Methoden aus Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), Biomasse und Elektrolyse erfolgen.
Serienreife Verfahren zur Wasserstoffherstellung
        · Elektrolyse (Spaltung von Wasser)
        · Biowasserstoff (Vergasung, Vergärung)
        · Photosynthese (Wasserstoff aus Grünalgen)
        · Dampfreformer (Erdgas)
        · Partielle Oxidation (Ölvergasung)
        · Autotherme Reformer (Methanolreformierung)

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Der dazu benötigte Strom kommt ausschließlich aus erneuerbaren Energien. Dadurch ist diese Wasserstofferzeugung CO2-frei.

Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung zumeist aus Erdgas produziert. Das dabei entstandene CO2 entweicht in die Atmosphäre, was den Treibhauseffekt verstärkt.

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff gewonnen. Jedoch wird das entstehende CO2 gespeichert und gelangt nicht in die Atmosphäre. Damit kann auch diese Art der Wasserstoffproduktion als CO2-neutral betrachtet werden.

Türkiser Wasserstoff entsteht, indem man Methan in einem Hochtemperaturreaktor thermisch aufspaltet. Dabei entsteht Kohlenstoff in fester Form, der anderen Verwendungen zugeführt oder dauerhaft gespeichert werden kann. Damit dieses Verfahren CO2-neutral ist, muss die Wärmeerzeugung für den Hochtemperaturreaktor mit erneuerbaren Energien erfolgen.

Elektrolyse


Elektrolyse
Quelle: Planet GbR

Die Elektrolyse ist eine chemische Reaktion, die unter Aufwand von elektrischer Energie abläuft. In jedem Wassersystem sind verschiedene Metalle vorhanden, die in dem Elektrolyt (Heizungswasser, besonders dann, wenn im System eine Biofilmbildung [Schwefelbildung] vorhanden ist) auf Grund der Unterschiede in der Spannungreihe zu eine Stromfluss führen. Auch durch die Erdung von Metallleitungen ist ein Stromfluss möglich.
Bei der Wasserelektrolyse handelt es sich um den Vorgang, welcher Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) umwandelt. Es entsteht Knallgas, das eine explosionsfähige Mischung ist. Bei dem Kontakt mit offenem Feuer (Flamme, Glut oder Funken) erfolgt die so genannte Knallgasreaktion.

Wasserstoff – Herstellung per Elektrolyse - Dipl.- Ing. Michael Wenske ENERTRAG AG

Eine Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen an den beiden Elektroden. In einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem sogenannten Elektrolyten, kommt es bei einem von außen erzwungenen Stromfluss (Gleichstrom) zur Zersetzung des Elektrolyten und einer Abscheidung von Stoffen an den Elektroden.
Die entstandenen negativ geladenen Ionen geben an der positiv geladenen Anode Elektronen ab, die über den Stromkreis zur Kathode wandern. Dort nehmen positiv geladene Ionen Elektronen auf. (Achtung: Die Bezeichnungen Kathode und Anode sind umgekehrt als bei der Brennstoffzelle!)
Quelle: dieBrennstoffzelle.de
Für die Wasserelektrolyse ergeben sich die folgenden Reaktionsgleichungen:

Kathode: 2 H2O + 2 e-  =>  H2 + 2 OH-
Anode: 2 H2O   =>  O2 + 4 H+ + 4 e-
Gesamtreaktion: 2 H2O   =>  2 H2 + O2

Biowasserstoff

Photosynthese

Brennstoffzelle
Funktionsweise
Quelle: Maxgym.musin
Betrachtung-Funktionsweise

Brennstoffzellen-Stack

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Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 von William Grove erkannt und in einer "Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie" realisiert. Die Entdeckung des Dynamoprinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 verdrängte allerdings die Bedeutung der Brennstoffzelle für die Stromerzeugung zunächst völlig.
In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie gewandelt. Sie vermeidet damit Zwischenschritte bei der Energiewandlung und unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Während bei der Elektrolyse durch Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser.
Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen. Unabhängig vom Typ besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen gasundurchlässigen, protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden hingegen besitzen eine poröse Struktur und sind damit gasdurchlässig.

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionen-durchlässige Polymer-Membran getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Diese Membran muss gasdicht sein, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Für Elektronen darf sie auch nicht passierbar sein, sie muss also elektrisch isolierend wirken. Sie muss jedoch protonen-durchlässig sein, das heißt Wasserstoff-Ionen dürfen passieren. Als Elektrolyt-Material kommen egal für welche Brennstoffzellen-Art nur wenige Materialien in Frage. Im Niedertemperatur-Bereich gibt es einige wenige Säuren oder Basen, die einsetzbar sind, und im Hochtemperatur-Bereich gibt es Oxid-Keramiken und Karbonate.

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Brennstoffzelle im Auto: Besser als Lithiumakkus - Harald Lesch
Ist die Brennstoffzelle die Zukunft? Die Alternative zum E-Auto

Wasserstoffbrenner

Aufgrund der politisch gewollten Klimaziele wird es im Wärmesektor zukünftig einen Mix aus strombasierten Lösungen (z. B. Wärmepumpen, elektrische Trinkwassererwärmung) und aus erneuerbaren Energieträgern (z. B. synthetisches Methan und CO2-neutral erzeugter Wasserstoff) geben. Dem Wasserstoff wird hier eine zentrale Rolle zugesprochen. Sein Einsatz ist der konsequente Weg, den Wärmemarkt klimaneutral zu machen.


Quelle: promeos GmbH

Schon heute könnten 20 bis 30 % Wasserstoff dem Erdgas im Netz beigemischt werden. Was die Treibhausgasemissionen um rund 7 % verringern würde. Die Gas-Brennwertgeräte der neuesten Generation könnten auf diese Gasgemische eingestellt werden. Das Ziel ist, die in der Praxis bewährten Gasbrennwertgeräte für einen 100%igen Wasserstoffbetrieb zu entwickeln.
Ein Team aus Ingenieuren und Technikern im Technikum, dem Viessmann Forschungs- und Entwicklungszentrum am Unternehmens-Stammsitz in Allendorf (Eder) entwickelt und testet "H2ready"-Brennwertgeräte für den Betrieb mit reinem Wasserstoff. Die Basis sind moderne, gasadaptive Wandgeräte für Erdgas mit einem vollvormischenden Oberflächen-Gasbrenner. Die gegenüber Erdgas deutlich abweichenden Verbrennungseigenschaften des Wasserstoffs erfordern insbesondere eine Neuentwicklung des Verbrennungs-, Flammenüberwachungs- und Regelsystems sowie eine Anpassung der Brenner-Komponenten. Nach der Prototypen-Erprobung folgen die Phasen der Qualifizierung, Dauererprobung und schließlich der Einsatz der Geräte. Die innovativen "H2ready"-Brennwertgeräte werden sich mit wenigen Handgriffen vom Betrieb mit Erdgas bzw. Erdgas/Wasserstoff-Gemischen auf den Betrieb mit reinem Wasserstoff umstellen lassen. Die Voraussetzung für den Einsatz in der Praxis sind regionale Gasnetze in Deutschland, die reinen Wasserstoff an die Verbraucher verteilen.


Die innovativen "H2ready"-Brennwertgeräte werden sich mit wenigen Handgriffen vom Betrieb mit Erdgas bzw. Erdgas/Wasserstoff-Gemischen auf den Betrieb mit reinem Wasserstoff umstellen lassen
Quelle: Viessmann Climate Solutions SE


Oberflächen-Gasbrenner

H2ready-Brenner mit gasadaptiver Verbrennungsregelung
Lambda Pro Plus
Quelle: Viessmann Climate Solutions SE


Verbrennungsbild bei Erdgas und Wasserstoff
Quelle: Viessmann Climate Solutions SE

Heizen mit Wasserstoff – Innovative Brennwerttechnik für die klimaneutrale Zukunft
Video - H2 ready mit Viessmann Gasbrennwertgeräten - Viessmann Climate Solutions SE


Entwicklung im Technikum "H2ready"-Brennwertgeräte für den Betrieb mit reinem Wasserstoff
Viessmann entwickelt Lösungen für das klimaneutrale Heizen mit Wasserstoff

Mit einem katalytischen Wasserstoffverbrenner-System werden z. B. Wasserstoff- oder andere Luft-Gasgemische flammlos in einem weiten Konzentrationsbereich verbrannt und die entstande Wärmeenergie kann genutzt werden.


H2-Brenner NEO305


H2-Brenner Version NEO305
mit Heizband

Quelle: neo hydrogen sensors GmbH

Das H2-Brennersystem NEO305 ist ein System zur flammlosen Wasserstoffverbrennung in einem weiten Konzentrationsbereich, außerhalb der Zündgrenzen (Nur im nicht-explosiven Bereich zugelassen). Es findet eine emissionsfreie Umsetzung von Wasserstoff in nutzbare Wärmeenergie und Wasser durch katalytische Reaktion mit Sauerstoff statt.

Anwendungen der Katalysatoren:
Katalytische, flammlose, thermische Verbrennung von H2/Luft-Gasgemischen zur Wärmegewinnung und/oder Abgasreinigung im industriellen Maßstab
Feinreinigung von Gasen durch Entfernen von minimalen Verunreinigungen
Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Gas-Gemischen (bei erhöhter Starttemperatur)
Katalytische Nachverbrennung von Brennstoffzellenabgasen oder Elektrolysegas
Entfernen von Sauerstoff- oder Wasserstoffresten aus Elektrolysegas z. B. Reinigung von Luft oder Helium
Abreicherung von Sauerstoff oder Wasserstoff in chemischen Prozessen
Sicherungstechnik, Explosionsvermeidung, Brandprävention (durch O2-Abreichung)

Katalytischer Wasserstoffbrenner - neo hydrogen sensors GmbH
Datenblatt H2-Brennersystem NEO305

Heiz- und Prozesswärme mit klimaneutralem Wasserstoff - Bosch Industriekessel GmbH

Toyota entwickelt weltweit ersten Wasserstoffbrenner für Industrie

Wasserstoffnutzung in der Industrie - Gas statt Strom

Die Industrie (Metall und Stahl, Glas, Kunststoff, Gummi, Textil, Lebensmittel) soll den Weg "Gas statt Strom" einschlagen und dabei besonders auf die Wasserstoffnutzung eingestellt werden. Für den Wasserstoff kann die vorhandene Infrastruktur benutzt werden. "Strom" wird für die Wärmepumpentechnik und E-Autos sinnvoller eingesetzt.
Die promeos GmbH ist gerade dabei, ihre flammenlosen Brenner auf die Wasserstoff-Basis umzustellen. Wasserstoff soll, neben dem Strom, ein Standbein der Energiewende in Deutschland sein. Durch die schadstofffreie Verbrennung (es entsteht nur Wasserdampf) ist diese Technologie z. B. besonders für die Lebensmittelindustrie geeignet. Die Technik der flammenfreien promeos® Technologie wird schon seit Jahren mit Erdgas, Flüssiggas, Stadtgas, Biogas und Sondergas eingesetzt.

Die flammenfreie Gasbrenner Technologie basiert auf den von promeos® zur Serienreife entwickelten Porenbrennern. Hierbei gibt es keinerlei offenen Flammen, sondern die Verbrennung findet kontrolliert in keramischen Strukturen statt. Die vollständige Mischung von Gas und Luft außerhalb des Brennraums schafft die Grundlage für eine sich anschließend saubere und leise Verbrennung.


Quelle: promeos GmbH

Brennerarten
Quelle: promeos GmbH

Flammenfreie Gasbrenner-Technologie von promeos® werden als Einbausystem und in schlüsselfertige Anlagen angeboten:
Gasbrenner-Systeme zur Integrierung in neue oder bestehende Anlagen
Beheizungssysteme zur Integrierung in neue oder bestehende Anlagen
schlüsselfertige Beheizungsanlage

Die Wärmequelle der Beheizungsanlagen und Industrieöfen.
• FESTKÖRPERSTRAHLUNG (IR)
reo® Der volumetrische Porenbrenner Oberflächentemperatur: max. 1.400 °C
Spezifische Leistung: bis 3 MW/m2
Material: SiSiC / AI203

• HOCHTEMPERATUR GASSTRAHLUNG
neo Der Oberflächenbrenner mit Lochstruktur Oberflächentemperatur: max. 1.700 °C
Spezifische Leistung: bis 5 MW/m2
Material: AI203

• WARUMLUFT
ceo Der Oberflächenbrenner mit Schaumstruktur Oberflächentemperatur: max. 1.100 °C
Spezifische Leistung: bis 5 MW/m2
Material: AI203 / Fe2O3

Energieeffiziente und wirtschaftliche Beheizungslösungen für industrielle Thermoprozesse

BHKW
In größeren Leistungsbereichen werden bereits eine Vielzahl von BHKW-Anlagen betrieben. Bei kleineren Leistung werden seit einiger Zeit ebenfalls kompakte, anschlussfertige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Mini-BHKW) angeboten. Diese werden direkt im Heizraum aufgestellt.

Prinzip einer Wärme-Kraft-Kopplung
Quelle: BHKW-Infozentrum Rastatt

Die Verbrennungskraftmaschine (z. B. Motor, Gasturbine) treibt einen Generator an und stellt dadurch elektrischen Strom dem Verbraucher zur Verfügung. Evtl. kann der Motor auch direkt eine Maschine oder einen Verdichter (z. B. bei der Drucklufterzeugung) antreiben. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Kühlwasser, Öl), wird über einen Wärmetauscher zur Heizwassererwärmung verwendet. Die im Abgas enthaltene Energie wird entweder zur Dampferzeugung (Prozeßwärme) genutzt und/oder durch Wärmetauscher zur Trinkwassererwärmung. Als konventionelle Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung stehen die Dampfturbine, der Verbrennungsmotor sowie die Gasturbine zur Verfügung. Neuere Technologien wie die Brennstoffzelle oder der Stirlingmotor erweitern die bestehenden KWK-Technologien.

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Windgas
In der Zukunft wird es immer dringender, Ökostromüberschüsse aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen sinnvoll zu verwenden bzw. zu speichern. Der Ausbau der Stromnetze wird immer mehr abgelehnt und Stromspeicher, so z. B. Pumpspeicherkraftwerke (Wasser oder Druckluft) werden immer mehr abgelehnt, Batterien können nur kurzfristig speichern. Deshalb wird erneuerbarer Strom in Wasserstoff und Methan (EE-Gas - erneuerbares Gas) umgewandelt. Dieses Konzept wird auch "Power to Gas" genannt. Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht mit sehr großen Speicherkapazitäten zur Verfügung. Es kann als Speicher für Ökostrom genutzt werden, denn es ist jetzt schon 45 mal so groß ist wie die Gesamtkapazität aller heute in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke.
Zur Zeit liefert Greenpeace Energy eG Erdgas, dem nach und nach Wasserstoff beigemengt wird, sobald dieser verfügbar ist. Aus technischen und regulatorischen Gründen darf nur bis zu einer Obergrenze von 5 % Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist werden. Wasserstoff, der nicht eingespeist werden kann, wir zu erdgasgleichem Methan umgewandelt. In der Zukunft können erneuerbarer Wasserstoff und erneuerbares Methan das fossile Erdgas zu 100 Prozent ersetzen.
Windstrom zu Windgas - Elektrolyseur
Quelle: Greenpeace Energy eG
Grundlage für die Umwandlung von Windstrom in Windgas ist das Elektrolyse-Verfahren. Hierbei wird der Strom, der z. B. nicht in das vorhandene Stromnetz eingespeist werden kann, eingesetzt, um Wasser in seine Grundstoffe (Wasserstoff und Sauerstoff) aufzuspalten. Der Wasserstoff wird durch die Elektrolyse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 73 Prozent hergestellt.

Der freigesetzte Sauerstoff wird in die Atmosphäre, der Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist. Durch ein weiteres chemisches Verfahren lässt sich überschüssiger Wasserstoff „methanisieren“. Das erneuerbare Methan kann das herkömmliche Erdgas langfristig vollständig ersetzen und damit den Übergang von fossilem zu erneuerbarem Gas leisten.

Windgas - Greenpeace Energy eG
Power to Gas
Power to Gas Anlage
Quelle: Frauenhofer IWES, ZSW - Sterner, Specht

Bei dem Konzept "Power to Gas" (PtG oder P2G) wird mit Hilfe von elektrischer Energie ein EE-Gas (z. B. Wasserstoff oder Methan) erzeugt, um die elektrischer Energie indirekt speichern zu können. Da die elektrische Energie hauptsächlich durch Wind und Solar erzeugt wird, spricht man hier auch von Windgas (Windstrom zu Windgas) oder Solargas ( Methan aus Sonne und Wind).
Der "überschüssiger" Strom aus Windkraft-, PV- oder Wasserkraft-Anlagen wird in Wasserstoff oder < strong>synthetisches Erdgas umgewandelt und im Erdgasnetz gespeichert. Die Umwandlung von Strom in synthetisches Erdgas erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugt, anschließend folgt die Methanisierung (unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in synthetisches Methan).

Potenziale von Power-to-Gas Energiespeicher - Mareike Jentsch/Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

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