| Geleitwort | 5 |
| Vorwort | 6 |
| Inhaltsverzeichnis | 9 |
| 1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger | 11 |
| 1.1Die Rahmenbedingungen | 11 |
| 1.2Wasserstoff und Energiewirtschaft | 13 |
| 1.2.1Eigenschaften des Wasserstoffes | 14 |
| 1.2.2Herstellung des Wasserstoffs | 15 |
| 1.2.3Produktion von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern und Biomasse | 15 |
| 1.2.4Wasserspaltung durch Wärmeenergie | 17 |
| 1.2.5Wasserspaltung durch elektrische Energie (Elektrolyse) | 18 |
| 1.2.6Wasserspaltung durch Sonnenlicht (Photokatalyse) | 20 |
| 1.3Transport und Speicherung des Wasserstoffs | 20 |
| 1.3.1Transport des gasförmigen oder flüssigen Wasserstoffes | 21 |
| 1.3.2Wasserstoff-Verteilung durch Pipelines | 21 |
| 1.3.3Speicherung des Wasserstoffs in Salzkavernen | 22 |
| 1.4Einsatz des Wasserstoffes als chemischer Grundstoff und in Energiewandlungstechniken | 23 |
| 1.4.1Die Herstellung von Ammoniak | 24 |
| 1.4.2Wasserstoff in der petrochemischen Industrie | 24 |
| 1.4.3Wasserstoff und Brennstoffzellen | 25 |
| 1.4.4Wasserstoff als Treibstoff für Autos | 26 |
| 1.4.5Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge | 27 |
| 1.4.6Wasserstoff als Zwischenprodukt in CCS-Kraftwerken | 27 |
| 1.4.7Wasserstoff in der Industrie am Beispiel der Stahlerzeugung | 27 |
| 1.4.8Wasserstoff als Grundstoff zur Methan- und Methanolerzeugung | 28 |
| 1.5Wasserstoffwirtschaft: Konkurrenten und mögliche Einbindung | 29 |
| 1.5.1Wasserstoff und Verkehr | 30 |
| 1.5.2Wasserstoff und Fusion: ein Seitenblick | 31 |
| 1.6Zusammenfassung und Ausblick | 32 |
| Literatur | 32 |
| 2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem | 34 |
| 2.1EinleitungMotivation [1] | 34 |
| 2.2Untersuchungsgegenstand | 35 |
| 2.3Großtechnische Speichertechnologien [4] | 36 |
| 2.3.1Pumpspeicherwerke (PSW) [4] | 36 |
| 2.3.2Diabate Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) [4] | 37 |
| 2.3.3Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke (AA-CAES) [4] | 37 |
| 2.3.4Wasserstoffspeichersysteme [4] | 37 |
| 2.3.5Methanspeichersysteme | 38 |
| 2.4Modellbeschreibung | 38 |
| 2.5Beschreibung der untersuchten Szenarios | 39 |
| 2.5.1Allgemeine Datengrundlage und Annahmen | 39 |
| 2.5.2Beschreibung der Sensitivitätsanalyse | 42 |
| 2.6Ergebnisse | 42 |
| 2.6.1Basisszenario | 42 |
| 2.6.2Sensitivitätsanalyse | 43 |
| 2.6.3Saisonalität und Strommix der Wasserstoffnutzung | 46 |
| 2.7Fazit und Zusammenfassung | 48 |
| Literatur | 49 |
| 3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff | 51 |
| 3.1Allgemeines | 51 |
| 3.2Gefahrenmerkmale von Wasserstoff | 52 |
| 3.2.1Brennbarkeit | 52 |
| 3.2.2Kleines Molekül | 53 |
| 3.2.3Tiefe Temperaturen | 55 |
| 3.2.4Andere | 55 |
| 3.3Explosionsschutz | 56 |
| 3.3.1Zonen | 56 |
| 3.3.2Primärer Explosionsschutz | 57 |
| 3.3.3Sekundärer Explosionsschutz | 58 |
| 3.3.4Konstruktiver Explosionsschutz | 58 |
| 3.3.5Gesetzliche Rahmenbedingungen | 59 |
| 3.4Speicherung | 60 |
| 3.4.1Komprimiertes Gas | 60 |
| 3.4.2Tiefkalte Flüssigkeit | 61 |
| 3.4.3Slush | 62 |
| 3.4.4Überkritisches Fluid | 62 |
| 3.4.5Unterirdisch | 62 |
| 3.4.6Chemische Verbindungen | 63 |
| 3.4.7Gesetzliche Rahmenbedingungen | 64 |
| 3.5Transport | 64 |
| 3.5.1Pipeline | 64 |
| 3.5.2Straße | 65 |
| 3.5.3Andere Verkehrswege | 65 |
| 3.5.4Gesetzliche Rahmenbedingungen | 66 |
| Literatur | 66 |
| 4 Mobile Anwendungen | 67 |
| 4.1Nachhaltige Mobilität | 67 |
| 4.2Elektrifizierung des Antriebstrangs | 74 |
| 4.3Anforderungen an Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellenantriebstränge | 77 |
| 4.3.1Technische Anforderungen | 78 |
| 4.3.2Legislative Anforderungen – Gesetzgebung | 79 |
| 4.3.3Fahrzeugherstellerinterne Anforderungen | 79 |
| 4.4Technische Umsetzung eines Brennstoffzellenantriebstranges | 80 |
| 4.4.1PKW Überblick SystemeKomponenten im Antriebstrang | 80 |
| 4.4.2VAN – Spezifische Ausprägungen | 81 |
| 4.4.3Bus – Spezifische Ausprägungen | 83 |
| 4.5Hauptsysteme eines Brennstoffzellenantriebs | 85 |
| 4.5.1Brennstoffzellenstack | 85 |
| 4.5.1.1 Polymermembran und Gas Diffusion Layer (GDL) | 86 |
| 4.5.1.2 Bipolarplatten | 87 |
| 4.5.1.3 Dichtung | 87 |
| 4.5.2Brennstoffzellensystem | 88 |
| 4.5.2.1 Wasserstoffversorgungsmodul | 89 |
| 4.5.2.2 Luftversorgung | 89 |
| 4.5.2.3 SpannungStromversorgung | 89 |
| 4.5.2.4 SteuerungRegelung Gesamtprozess | 89 |
| 4.5.2.5 Einflussfaktor Luftversorgung | 89 |
| 4.5.3Hochvolt (HV) - Architektur | 91 |
| 4.5.4Betriebsführungsherausforderungen Wirkungsgrad und Kaltstart | 91 |
| 4.5.4.1 Wirkungsgrad | 91 |
| 4.5.4.2 Kaltstart | 93 |
| 4.6Wasserstoff-Speichersysteme für mobile Anwendungen | 95 |
| 4.6.1Druckspeicher | 95 |
| 4.6.2Flüssigwasserstoffspeicherung | 101 |
| 4.6.3Hydride | 101 |
| 4.6.4Weitere Konzepte | 104 |
| 4.6.4.1 Nanotubes | 104 |
| 4.6.4.2 Metal Organic Frameworks | 104 |
| 4.6.4.3 Kryo-komprimierter Wasserstoff | 104 |
| 4.7Geschichte der Brennstoffzellentechnik in mobilen Anwendungen | 105 |
| 4.7.1FahrzeugePKW | 105 |
| 4.7.2Omnibusse – Stadtbusse | 108 |
| 4.7.3Weitere mobile Anwendungen | 112 |
| 4.7.3.1 Lastkraftwagen | 112 |
| 4.7.3.2 Auxiliary Power Unit (APU) | 112 |
| 4.7.3.3 Bahn | 114 |
| 4.7.3.4 Schiffe | 114 |
| 4.7.3.5 Luft- und Raumfahrt | 115 |
| 4.8Ausblick | 115 |
| Literatur und Referenzen | 117 |
| 5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt | 120 |
| Abkürzungen | 120 |
| 5.1Einleitung | 121 |
| 5.2Hauptantrieb mit Wasserstoff | 121 |
| 5.3Funktionen der Brennstoffzelle an Bord von Verkehrsflugzeugen | 123 |
| 5.4Brennstoffzelle als „kleines“ Notstromaggregat im Flugzeug | 130 |
| 5.5Elektrisches Rollen von Verkehrsflugzeugen am Flughafen | 131 |
| 5.6Brennstoffzelle in Kleinflugzeugen | 132 |
| 5.7Brennstoffzelle in unbemannten Flugzeugen | 133 |
| 5.8Zusammenfassung | 136 |
| Literatur | 137 |
| 6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung | 139 |
| 6.1Kraft-Wärme-Kopplung | 139 |
| 6.2Warum noch Brennstoffzellen? | 141 |
| 6.3Erdgasbasierte Brennstoffzellen-Heizgeräte | 143 |
| 6.4Integration von Brennstoffzellen-Heizgeräten im Haus | 147 |
| 6.5Brennstoffzellen-Heizgeräte mit erneuerbaren Energien | 150 |
| 6.6Brennstoffzellen-Heizgeräte – Status & Ausblick | 152 |
| 7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung | 153 |
| 7.1Anwendungsfelder einer USV | 153 |
| 7.2Stand der Technik | 154 |
| 7.2.1Batterietechnik | 154 |
| 7.2.2Netzersatzanlagen (NEA) | 156 |
| 7.3Brennstoffzellen im USV-Einsatz | 157 |
| 7.3.1Geeignete Brennstoffzellentypen | 157 |
| 7.3.2Ausführungsmerkmale eines geeigneten BZ-Systems | 159 |
| 7.4Technologievergleich | 160 |
| 8 Sicherheitsrelevante Anwendung | 163 |
| 8.1Brennstoffzelle und Brandschutz | 163 |
| 8.2Sauerstoffreduzierung allgemein | 165 |
| 8.2.1Schutz von Materialien | 166 |
| 8.2.2Aufenthalt von Menschen | 166 |
| 8.2.3Schutzbereiche | 167 |
| 8.3Neue Anwendung der Brennstoffzelle | 168 |
| 8.4Fazit | 170 |
| Literatur | 170 |
| 9 Portable Brennstoffzellen | 172 |
| 9.1Einleitung | 172 |
| 9.2Stand der Technik | 173 |
| 9.2.1Membranbrennstoffzellen kleiner Leistung | 173 |
| 9.2.1.1 Wasserstoffsysteme | 173 |
| 9.2.1.2 Direktmethanol-Brennstoffzellen | 174 |
| 9.2.1.3 Brennstoffzellensysteme mit vorgeschaltetem Reformer | 175 |
| 9.2.1.4 Festoxidbrennstoffzellen kleiner Leistung | 176 |
| 9.3Wasserstoffspeicher | 177 |
| 9.4Mikrobrennstoffzellen | 178 |
| Literatur | 178 |
| 10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie | 180 |
| 10.1Einleitung | 180 |
| 10.2Wasserstoff als Grundstoff für die chemische Industrie | 181 |
| 10.2.1Weltweite Nutzung nach Branchen | 181 |
| 10.2.2Industrielle Anwendungen | 183 |
| 10.2.3Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff | 184 |
| 10.3Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie | 186 |
| 10.3.1Herstellung von grünem Wasserstoff | 186 |
| 10.3.2Vergleich der Hauptnutzungsarten für grünen Wasserstoff | 189 |
| 10.3.3Chancen und Hindernisse der Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie | 191 |
| 10.4Handlungsbedarf | 192 |
| Literatur | 192 |
| 11 Elektrolyse-Verfahren | 194 |
| 11.1Einleitung | 194 |
| 11.2Physikalisch-chemische Grundlagen | 196 |
| 11.3Alkalische Elektrolyse | 200 |
| 11.4PEM Elektrolyse | 202 |
| 11.5Hochtemperatur-Elektrolyse | 204 |
| 11.6Stand der Technik | 206 |
| 11.6.1Alkalische Elektrolyse | 206 |
| 11.6.2PEM-Elektrolyse | 206 |
| 11.7Beispiele für heutige Anwendungen | 208 |
| 11.7.1Power-to-Gas | 208 |
| 11.7.2Tankstellen | 209 |
| 11.8Ausblick | 209 |
| Literatur | 211 |
| 12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise | 213 |
| 12.1Einleitung | 213 |
| 12.2Warum braucht man große Elektrolyse-Systeme und was bedeutet „groß“? | 213 |
| Was bedeutet „groß“? | 217 |
| 12.3Welche Erfahrungen aus anderen Bereichen müssen in die Entwicklung der Großelektrolyse-Systeme einfließen? | 217 |
| 12.4Welche Sicherheitskonzepte für Großelektrolyse-Systeme werden erarbeitet? | 222 |
| 12.5Welche Services sind für den laufenden Betrieb dieser Großelektrolyse-Systeme notwendig? | 224 |
| 12.6Ausblick | 226 |
| Literatur | 227 |
| 13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien | 228 |
| 13.1Einführung | 228 |
| 13.2Strom und Wasserstoff in einem komplementären Versorgungssystem | 229 |
| 13.3Herstellung von Wasserstoff | 230 |
| 13.4Wasserstofftransport und -verteilung | 233 |
| 13.5Integration von Wasserstoff in Energiesysteme mit erneuerbaren Energien | 235 |
| 13.6Zusammenfassung | 239 |
| Literatur | 241 |
| 14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven | 243 |
| 14.1Allgemeine Gestaltung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle | 248 |
| 14.1.1Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) | 248 |
| 14.1.2Komponenten einer Membran Elektroden Anordnung (MEA) | 249 |
| 14.1.3Katalysatoren | 251 |
| 14.1.4Katalysatorschicht | 256 |
| 14.1.5Gasdiffusionslagen (GDL) | 260 |
| 14.2Bipolarplatten | 264 |
| 14.2.1Funktion und Eigenschaften von Bipolarplatten | 264 |
| 14.2.2Vergleich metallischer und Graphit-Composit Bipolarplatten | 270 |
| 14.3Dichtungen | 271 |
| 14.4Stackintegration | 274 |
| 14.5Überlegungen zu Stackkosten | 277 |
| 14.6Differenzierung zu anderen Brennstoffzellentechnologien | 277 |
| 14.6.1Alkalische Brennstoffzellen (AFC) | 278 |
| 14.6.2Phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) und Hochtemperatur PEFC | 279 |
| 14.6.3Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) | 280 |
| 14.6.4Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC) | 281 |
| Literatur | 281 |
