Wasserstofftechnologien
von: Reimund Neugebauer
Springer Vieweg, 2022
ISBN: 9783662649398
Sprache: Deutsch
487 Seiten, Download: 10505 KB
Format: PDF, auch als Online-Lesen
| Inhaltsverzeichnis | 5 | ||
| 1 Der Stoff, aus dem die Zukunft ist | 14 | ||
| 1.1 Einleitung: Wasserstoff als Teil des Lebens | 14 | ||
| 1.2 Wissenschaftliche Entdeckung und wirtschaftliche Nutzung | 15 | ||
| 1.3 Wasserstoff als Energieträger | 16 | ||
| 1.4 Perspektiven der Wasserstofftechnologien | 17 | ||
| 2 In der Wasserstoffwirtschaft liegen viele Chancen | 19 | ||
| 2.1 Wasserstoffnutzung heute und morgen | 19 | ||
| 2.2 Wasserstoffmobilität als Problemlöser und Hebel | 21 | ||
| 2.3 Eine klimaneutrale Industrie und ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf | 23 | ||
| 2.4 Sektorkopplung – die nächste Phase der Energiewende | 25 | ||
| 2.5 Deutschlands Platz in einer H2-Weltwirtschaft | 27 | ||
| 2.6 Ausblick | 29 | ||
| Literatur | 30 | ||
| 3 Potenziale einer Wasserstoffwirtschaft aus wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Perspektive | 32 | ||
| 3.1 Wirtschaftliche Relevanz von Wasserstoff | 33 | ||
| 3.2 Wertschöpfungspotenziale für die deutsche Industrie | 34 | ||
| 3.3 Beitrag von Wasserstoff zur Erreichung von Klima- und Umweltzielen | 40 | ||
| 3.4 Akzeptanz von Wasserstoff in der Gesellschaft | 42 | ||
| 3.5 Nachfragepotenziale von Wasserstoff und wirtschaftliche Situation | 46 | ||
| Literatur | 60 | ||
| 4 Einsatz von Wasserstofftechnologien im Energiesystem | 63 | ||
| 4.1 Einleitung | 64 | ||
| 4.2 Die Rolle von Wasserstoff und synthetischen Energieträgern im Energiesystem bis 2050 | 66 | ||
| 4.3 Regionale Aspekte von Angebot und Nachfrage: Mögliche Standorte der Elektrolyseure und der erneuerbaren Stromerzeugung | 72 | ||
| 4.4 Direkte Wasserstofferzeugung aus Offshore-Windstrom aus europäischer Sicht | 74 | ||
| 4.5 Anforderungen an das Übertragungsnetz in Deutschland | 80 | ||
| 4.6 Fazit | 88 | ||
| Literatur | 90 | ||
| 5 Einsatz von Wasserstofftechnologien in der Industrie | 92 | ||
| 5.1 Stoffliche Nutzung von H2: Stahlindustrie | 93 | ||
| 5.2 Stoffliche Nutzung von H2: Chemische Industrie | 108 | ||
| 5.3 Industrien mit unvermeidbarem CO2-Anfall als zukünftige Rohstoffquelle | 118 | ||
| 5.4 Energetische Nutzung von Wasserstoff in der Industrie | 119 | ||
| 5.5 Einsatz von Wasserstoff in der Keramikindustrie | 122 | ||
| 5.6 Ausblick | 124 | ||
| Literatur | 126 | ||
| 6 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Mobilität und Transport | 131 | ||
| 6.1 Einleitung | 132 | ||
| 6.2 Wasserstofftechnologien für den Antriebsstrang | 133 | ||
| 6.3 Synthetische Wasserstoffträger | 139 | ||
| 6.4 Infrastruktur für H2-Technologien – Wasserstofftankstellen | 147 | ||
| 6.5 Diskussion nach Mobilitätssektoren | 148 | ||
| Literatur | 159 | ||
| 7 Einsatz von Wasserstofftechnologien in Gebäuden | 162 | ||
| 7.1 Anwendungsfälle und systemische Integration | 162 | ||
| 7.2 Gebäude und Wärmeerzeuger – Bestand und Entwicklung | 165 | ||
| 7.3 Wärmeerzeuger – Dezentrale Lösungen | 168 | ||
| 7.4 Wasserstoff in Quartieren | 170 | ||
| 7.5 Wasserstoff in Gasnetzen – Beimischung und Umstellung | 171 | ||
| 7.6 Kosten und Wirtschaftlichkeit einer H2-basierten dezentralen Wärmeversorgung | 174 | ||
| Literatur | 178 | ||
| 8 Wasserstoffinfrastrukturen – Netze und Speicher | 181 | ||
| 8.1 Einleitung | 182 | ||
| 8.2 Aufbau von Wasserstoffnetzinfrastrukturen | 186 | ||
| 8.3 Transformation von H2-Inseln und H2-Tälern zu zusammenhängenden Netzen | 191 | ||
| 8.4 Anforderungen an die Transformation von Infrastrukturkomponenten | 194 | ||
| 8.5 Welche Herausforderungen und Lösungen ergeben sich für den Betrieb der Infrastrukturen? | 198 | ||
| 8.6 Optionen geologischer Speicher | 202 | ||
| 8.7 Weitere Speicheroptionen | 205 | ||
| Literatur | 208 | ||
| 9 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren | 213 | ||
| 9.1 Verfahren zur Wasserstofferzeugung | 214 | ||
| 9.2 Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse | 217 | ||
| 9.3 Weitere innovative Verfahren zur Wasserstofferzeugung | 247 | ||
| 9.4 Zusammenfassung und Ausblick | 256 | ||
| Literatur | 257 | ||
| 10 Brennstoffzellen-Technologien | 265 | ||
| 10.1 Einleitung | 265 | ||
| 10.2 Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen | 269 | ||
| 10.3 Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen | 279 | ||
| 10.4 Direktmethanol-Brennstoffzellen | 284 | ||
| 10.5 Alkalische Brennstoffzellen | 286 | ||
| 10.6 Oxidkeramische Brennstoffzellen | 287 | ||
| 10.7 Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen | 296 | ||
| Literatur | 301 | ||
| 11 Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept | 303 | ||
| 11.1 Brennstoffzellen | 303 | ||
| 11.2 Elektrolyseur | 325 | ||
| Literatur | 335 | ||
| 12 Standardisierung, Tests und Zertifizierung | 337 | ||
| 12.1 Bedeutung der Standardisierung für die Wasserstofftechnologien | 338 | ||
| 12.2 Übersicht zu Standardisierung, Akteuren und Prozessen | 339 | ||
| 12.3 Existierende Normen im Bereich der Wasserstofftechnologien | 344 | ||
| 12.4 Anwendungsbeispiele | 350 | ||
| Literatur | 355 | ||
| 13 Unfallsicherheit und Lebensdauer – Materialien | 357 | ||
| 13.1 Motivation: Wasserstoff als Energieträger | 358 | ||
| 13.2 Unfallsicherheit und Lebensdauer: Hydrogen Embrittlement | 361 | ||
| 13.3 Materialien und Mechanismen: Stahlwerkstoffe | 362 | ||
| 13.4 Experimentelle Materialprüfung und theoretische Materialmodellierung | 365 | ||
| 13.5 Diskussion: Hydrogen Readiness | 369 | ||
| Literatur | 371 | ||
| 14 Sensorik und Sicherheit | 373 | ||
| 14.1 Einleitung | 374 | ||
| 14.2 Herausforderungen | 376 | ||
| 14.3 H2-Sensortechnologien und Anwendungen | 383 | ||
| 14.4 Sensoren für die zerstörungsfreie Prüfung | 398 | ||
| 14.5 Zusammenfassung und Ausblick | 404 | ||
| Literatur | 405 | ||
| 15 Digitalisierung und Simulation von Wasserstofftechnologien | 409 | ||
| 15.1 Einleitung und Übersicht | 410 | ||
| 15.2 Zukünftige Wasserstoffbedarfe und Integration in Energiemärkte | 411 | ||
| 15.3 Modellierung und Simulation von Wasserstoff-Pipelines | 415 | ||
| 15.4 Integration in verfahrenstechnische Prozesse | 417 | ||
| 15.5 Optimiertes Stack-Design | 421 | ||
| 15.6 Skalierung und Flexibilisierung durch Digitalisierung | 424 | ||
| 15.7 Simulationsgestützte Gestaltung sicherer Wasserstoffinfrastrukturen | 427 | ||
| Literatur | 429 | ||
| 16 Die internationale Dimension der Wasserstofftechnologien im Energiesystem | 432 | ||
| 16.1 Relevanz von grünem Wasserstoff | 433 | ||
| 16.2 Internationale Wasserstoffwirtschaft | 434 | ||
| 16.3 Wasserstoffstrategien und -Roadmaps | 436 | ||
| 16.4 Antreiber einer Wasserstoffwirtschaft | 438 | ||
| 16.5 Internationaler Handel und Partnerschaften | 439 | ||
| 16.6 Rahmenbedingungen und Designelemente für den Import von grünem Wasserstoff und Syntheseprodukten | 441 | ||
| 16.7 Globale Erzeugungspotenziale für grünen Wasserstoff und synthetische Brenn- und Kraftstoffe | 445 | ||
| 16.8 Schlussfolgerungen | 453 | ||
| Literatur | 454 | ||
| 17 Ausblick und Perspektiven der Wasserstofftechnologien | 457 | ||
| 17.1 Einleitung | 458 | ||
| 17.2 Offshore-Wasserstoffproduktion – Wege zur Deckung zukünftiger Wasserstoffbedarfe | 460 | ||
| 17.3 Der Weg der chemischen Grundstoffindustrie zur Klimaneutralität | 466 | ||
| 17.4 Evolutionäre Fertigungstechnologien für Elektrolyseure | 476 | ||
| 17.5 Handlungsoptionen für die Entwicklung einer systemischen Roadmap zur fundamentalen Skalierung der Elektrolyseurproduktion | 478 | ||
| Literatur | 480 | ||
| Glossar | 485 |