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Ausgewählte Ausgabe: 5-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien haben in den vergangenen Jahren demonstriert, dass sie beim Übergang der Energieversorgung von fossilen hin zu regenerativen Energiequellen eine wichtige Rolle spielen können. Es zeigt sich immer mehr, dass neben der Stromerzeugung aus Wind-, Wasser- und Sonnenenergie andere Herausforderungen wie die Verteilung der Energie auf die verschiedenen Industriesektoren und die Speicherung bei einer Dunkelflaute wichtig werden. Dem Wasserstoff als umweltfreundlichem Energieträger kommt dabei eine besondere Rolle zu, und die Marktreife der verschiedenen Technologien schreitet stetig voran. Durch verschiedene Förderprogramme wird nun die Markteinführung sowie die stetige Weiterentwicklung der benötigten Systeme unterstützt, und so ergaben sich seit dem letztjährigen Fortschrittsbericht [1] eine Vielzahl an technischen Neuerungen und Anwendungen.


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4-sitziges Brennstoffzellenflugzeug HY4.

Die Bemühungen der Industrie, die Markeinführung von wasserstoffbasierten Technologien in den kommenden Jahren voranzutreiben, wurden im letzten Jahr noch einmal deutlich intensiviert. Neben den bereits bestehenden nationalen und internationalen Kooperationen haben sich im Januar 2017 in Davos dreizehn führende Unternehmen aus den Bereichen Energie, Verkehr und Industrie zu einer neuen, globalen Initiative zusammengeschlossen, um die große Herausforderung der Energiewende mit Hilfe der Wasserstofftechnologie zu bewältigen [2]. Der gegründete Hydrogen Council ist die erste globale Initiative dieser Art und wird politische Entscheidungsträger, Unternehmen und internationale Behörden beraten, um die Markteinführung der Wasserstofftechnik zu forcieren. Er setzt sich derzeit aus 13 CEO und Vorsitzenden verschiedener Industrie- und Energieunternehmen zusammen. Dazu gehören Air Liquide, Alstom, Anglo American, BMW, Daimler, Engie, Honda, Hyundai, Kawasaki, Shell, Linde, Total und Toyota. Der vom Hydrogen Council veröffentlichte Bericht „How Hydrogen empowers the energy transportation“ [3] zeigt die Visionen dieses neuen Gremiums sowie die benötigten politischen Maßnahmen für deren Umsetzung auf. Die beteiligten Unternehmen betonten zudem ihre Bereitschaft in den kommenden fünf Jahren jährlich mindestens 1,9 Mrd. € in die Markteinführung der Wasserstofftechnologien zu investieren.
Neben der Industrie stellt auch die Politik die benötigten Fördermittel für die Weiterentwicklung und Markteinführung bereit. Seit 2015 erfolgt die Förderung von Forschungs- und Demonstrationsprojekten auf europäischer Ebene über das „Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Untertaking (FCH 2 JU)“ im Rahmen des Horizon-2020-Programms [4]. Hierdurch sollen bis 2020 unter anderem die Anzahl brennstoffzellenbetriebener Fahrzeuge erhöht und die dafür benötigte Tankinfrastruktur und Wasserstofferzeugung erweitert sowie die Verbreitung brennstoffzellenbasierter Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK)-Anlagen gesteigert werden.
In Deutschland endete 2016 die erste Phase des 2008 begonnenen, nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff und Brennstoffzelle (NIP), mit dem 1,4 Mrd. € in den Aufbau und die Markerprobung der Wasserstofftechnologie investiert wurden. 500 Mio. € stellte das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und 200 Mio. € das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) zur Verfügung. Die Industrie beteiligte sich mit weiteren 700 Mio. €. Durch die Förderung von mehr als 650 Einzelprojekten erreichte das NIP in seiner 8-jährigen Laufzeit eine signifikante Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie und trug zum Aufbau der Wasserstoffbranche, mit derzeit über 500 Unternehmen und Forschungseinrichtungen, bei. Im September 2016 wurde nun das Regierungsprogramm „Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie 2016 bis 2026“ verabschiedet, und so wird das NIP bis 2026 fortgeführt. Dazu werden bis Ende 2019 zunächst 250 Mio. € vom BMVI bereitgestellt [5].
Die technischen Neuerungen und die fortschreitende Markteinführung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien im vergangenen Jahr umfassen verschiedenste Anwendungen von Brennstoffzellensystemen für die Energieversorgung von Wohnhäusern, in der Industrie und im Transportsektor sowie Anlagen zur Wasserstofferzeugung und -bereitstellung für die verschiedenen Sektoren.

Stationäre Brennstoffzellensysteme

Wie bereits in der letztjährigen Jahresübersicht zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen [1] aufgezeigt, haben Mikro-KWK-Anlagen in Japan bereits die Hürde der Markteinführung überwunden, und jährlich werden mehrere Zehntausend solcher Anlagen neu installiert. Im Juni 2016 versorgten schon mehr als 170 000 Mikro-KWK-Anlagen mit Brennstoffzellen japanische Haushalte mit Strom und Wärme [6]. Hingegen war die Einführung solcher Anlagen in Europa auf wenige europäische und nationale Demonstrationsprojekte mit einigen Hundert Geräten beschränkt. Im Rahmen von Horizon 2020 hat nun am 1. Juni 2016 das größer angelegte Projekt Pace (Pathway to a Competitive European FC mCHP market) begonnen, in dem bis 2021 insgesamt 2 650 neue Anlagen bei Kunden installiert und deren Betrieb auf weitere Optimierungsmöglichkeiten analysiert werden sollen [7]. So sollen die Anlagenkosten um weitere 30 % reduziert und die Lebensdauer der verbauten Brennstoffzellen auf über zehn Jahre erhöht werden. Hierzu werden die beteiligten Firmen Bosch, Solidpower, Vaillant und Viessmann die Anlagenproduktion weiterentwickeln, um ihre jährliche Produktionskapazität bis 2018 auf 1 000 Anlagen pro Jahr zu erweitern. Innerhalb des Projektes sollen zusammen mit den Projektpartnern Element Energy, EWE, Technische Universität Dänemark (DTU) und BDR Thermea Group je 500 Anlagen direkt bei Kunden installiert und in Betrieb genommen werden.
Um den nächsten Schritt in den kommerziellen Markt in Deutschland zu unterstützen, wurde vom BMWi 2016 das Technologieeinführungsprogramm (TEP) für stationäre Brennstoffzellen zur Hausenergieversorgung initiiert. Zwar existieren bereits mehrere Förderprogramme für KWK-Anlagen, die auch die Förderung der Brennstoffzellen-KWK ermöglichen, das TEP schließt jedoch die Lücke eines speziell auf die Endkunden zugeschnittenen Förderprogramms, das direkt auf die Erhöhung der Verkaufs- und Installationszahlen von Brennstoffzellen-KWK-Anlagen abzielt. Das im Dezember 2016 gestartete TEP soll die Installation von bis zu 75 000 Anlagen bis zum Jahr 2023 unterstützen und zusätzliche Kaufanreize liefern. Die Förderung erfolgt als Zuschuss beim Kauf einer neuen Brennstoffzellen-KWK-Anlage im Leistungsbereich zwischen 250 W und 5 kW mit einem Grundbetrag von 5 700 € und einer zusätzlichen, leistungsabhängigen Förderung von 450 € pro 100 W installierter, elektrischer Leistung [8], wobei maximal 40 % der förderfähigen Kosten bezuschusst werden. Die Förderung im TEP erfolgt durch die KfW-Bank unter der Bezeichnung „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ mit der Programmnummer 433 [9] und ist Teil des Anreizprogrammes Energieeffizienz (APEE). Beispielhaft betragen die möglichen Fördersummen bei einer Brennstoffzellen-KWK-Anlage mit einer elektrischen Leistung von 1 kW 10 200 € und kann bei einer 5-kW-Anlage bis zu 28 200 € erreichen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit der Bafa-Stromförderung (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle), die allerdings nicht mit der Förderung aus dem TEP kombiniert werden kann [10]. Die entsprechende Basisförderung richtet sich hier ebenfalls nach der elektrischen Leistung der KWK-Anlage und ist entsprechend Tabelle 1 gestaffelt, wobei sich die Förderung kumulativ aus den einzelnen Stufen zusammensetzt.

Tabelle 1  Staffelung der Bafa-Stromförderung.

Tabelle 1
Staffelung der Bafa-Stromförderung.

Diese Basisförderung erhöht sich bei Anlagen, die einen Brennwertwärmeaustauscher besitzen und hydraulisch abgeglichen sind, um eine Bonusförderung für „Wärmeeffizienz“ von 25 % und bei KWK-Anlagen mit besonders hohem elektrischen Wirkungsgrad, wie die brennstoffzellenbasierten Anlagen, um einen Bonus „Stromeffizienz“ von 60 % der Basisförderung. Bezogen auf das bereits aufgeführte Beispiel ergibt sich somit für eine 1-kW-Anlage eine Förderung von 3 515 € (1 900 € + 85 %) und für eine 5-kW-Anlage von 5 365 € (2 900 € + 85 %). Die Förderung beim Kauf von Mikro-KWK-Anlagen mit Brennstoffzellentechnik hat sich somit durch das TEP deutlich verbessert, und die Bafa-Stromförderung ist nur noch für Anlagen über 5 kW attraktiv.

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Autoren

Dr. Jens Mitzel

Wissenschaftlicher Mitarbeiter Polymerorientierte Elektrochemie, Elektrochemische Energietechnik am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V., Stuttgart

Prof. Dr. K. Andreas  Friedrich

Abteilungsleiter Elektrochemische Energietechnik am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt e. V., Stuttgart.

Trend 2017

Für das Jahr 2017 ist zu erwarten, dass die Absatzzahlen von Mikro-KWK-Anlagen mit Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung aufgrund der deutlich attraktiveren Förderung über das TEP in Deutschland deutlich zunehmen. Auch Japan wird den Einsatz dieser Anlagen weiter vorantreiben, und die Marktdurchdringung ohne Subventionen scheint wahrscheinlich zu sein. Der Einsatz von Brennstoffzellen im Transportsektor wird ebenfalls zunehmen, und es bleibt abzuwarten, wie schnell sich dieser Sektor entwickeln kann. Dabei spielen nicht nur die Antriebe von Pkw und Bussen eine Rolle. Auch die Entwicklung bei Zügen und Schiffen geht hin zur Erprobung der Systeme im realen Betrieb. Durch die Möglichkeit, Wasserstofftanksäulen direkt in konventionelle Tankstellen zu integrieren, sind auch die zu erwartenden Kosten für den Ausbau der Tankinfrastruktur gesunken, und für 2017 ist weltweit ein deutlicher Ausbau zu erwarten. Dabei wird sich der Ausbau auf Tankstellen in Ballungszentren konzentrieren, die dann über so genannte Hydrogen Highways miteinander verbunden werden. Die Entwicklung und Verbreitung der Wasserstofftechnologien wird derzeit in Asien am stärksten vorangetrieben. Neben Japan, das die Olympischen Spiele als Schaufenster für diese Technologien nutzen will, verstärkt China seine Anstrengungen massiv, um im Elektromobilitätsbereich und auch bei den Wasserstofftechnologien eine führende Rolle zu übernehmen. In 2017 werden sich die zunehmenden Kooperationen mit amerikanischen Marktführern der Wasserstoffbranche noch intensivieren, und China wird die Produktion von Wasserstofftechnologien im eigenen Land stetig vorantreiben. Des Weiteren wird im kommenden Jahr die zunehmende Nutzung von Synergieeffekten zwischen Wasserstoff- und konventionellen Technologien im Vordergrund stehen, um die stoffliche Nutzung in verschiedenen Industriesektoren und die energetische Gesamteffizienz der Wasserstoffanlagen zu steigern.