Die umweltfreundliche und ökologische Energieversorgung, 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche, 365 Tage im Jahr, ist allgegenwärtig. Dieses Thema wird aufgegriffen, um den möglichen Einsatz von Brennstoffzellen in privaten Haushalten zu beleuchten.
Immer mehr Artikel wurden über Wasserstoff im Zusammenhang mit Brennstoffzellen veröffentlicht. Insbesondere im Hinblick auf die Automobilindustrie wird die Brennstoffzelle als große Chance angesehen. Die Brennstoffzelle wird aber auch als zukunftsorientierte Energiequelle für private Haushalte mit Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Brennstoffzellen und zielt darauf ab, die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten einer Brennstoffzelle im Haushalt und ihr Zukunftspotenzial zu bewerten. Die verschiedenen Arten der Wasserstofferzeugung und die Struktur der verschiedenen Brennstoffzellen wurden entsprechend den Anforderungen eines Haushalts verglichen. Darüber hinaus wurden die Methoden der Wasserstoffspeicherung erläutert. Im Rahmen einer Marktanalyse wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Integration einer Brennstoffzelle in einen privaten Haushalt erläutert und anschließend in einer Nutzwertanalyse verglichen.
Die Recherche hat gezeigt, dass es Unternehmen gibt, die Brennstoffzellen für private Haushalte sowie komplette Systeme zur autarken Versorgung entwickeln, welche bereits auf dem Markt sind. Die Nutzwertanalyse hat gezeigt, dass sich Brennstoffzellen mit Erdgas mittelfristig am Markt durchsetzen können, da hier kein CO2 emittiert wird. Da Erdgas jedoch als fossiler Brennstoff gilt und nur in begrenzten Mengen verfügbar ist, wird sich langfristig eine Gesamtlösung durchsetzen, bei der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen und saisonal gespeichert wird. Es ist klar, dass sich die gesamte Energiewirtschaft in Zukunft verändern wird und dass auch die Brennstoffzelle eine wichtige Rolle in diesem Prozess spielen wird.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Forschungsfrage
1.3 Ziele der Arbeit
1.4 Bezugsrahmen
2 Herstellung von Wasserstoff
2.1 Verfahren zur Wasserstoffherstellung
2.1.1 Photochemische Herstellung
2.1.2 Dampfreformierung
2.1.3 Photobiologische Wasserstoff-Produktion
2.1.4 Elektrolyseverfahren
2.1.4.1 Alkalische Elektrolyse
2.1.4.2 PEM Elektrolyse
2.1.4.3 Hochtemperatur Elektrolyse
3 Die Brennstoffzelle
3.1 Funktionsprinzip
3.2 Typen der Brennstoffzelle
3.2.1 PEMFC
3.2.1.1 NT-PEMFC
3.2.1.2 High-Temperature-Proton-Exchange-Membrane-FC (HT-PEMFC)
3.2.2 Solod Oxide Fuel Cell (SOFC)
3.3 Aufbau der Brennstoffzelle
3.3.1 Einzelzelle
3.3.2 Zellstapel- Stack
4 Speicherung von H2
4.1 Druckspeicher
4.2 Speicherung in flüssiger Form
4.3 Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden
5 Einsatz von Brennstoffzellen im privaten Haushalt
5.1 Anforderungen an den privaten Haushalt
5.1.1 Der durchschnittliche Einfamilienhaushalt
5.2 Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung
5.3 Anforderung an eine μ-KWK
5.4 Einbindung in den privaten Haushalt
5.4.1 Arten der Brennstoffzellen für den privaten Haushalt
5.5 Integration der Brennstoffzelle im Haushalt
5.6 Anbieter von autarken Systemen
5.6.1 Home Power Solution (HPS)
5.6.1.1 Bestandteile von Picea
5.6.2 Hy2green
5.6.2.1 Aufbau des Systems
5.6.2.2 Die Speicherung bei Hy2green
5.7 Anbieter von Brennstoffzellen für Erdgas
5.7.1 Viessmann/ Panasonic
5.7.2 Solidpower
5.7.3 SenerTec
5.7.4 Remeha
5.7.5 Bewertung
5.7.5.1 Sicherheit und Handhabung
6 Ausblick und Empfehlung
6.1 Zukunftspotential
6.2 Handlungsempfehlung
6.2.1 Brennstoffzellen mit Erdgasreformierung
6.2.2 Autarke Brennstoffzellensysteme
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die Anwendungsmöglichkeiten von Brennstoffzellen zur dezentralen Energieversorgung in privaten Haushalten, mit dem Ziel, den Einsatz unter Berücksichtigung autarker Systeme und marktverfügbarer Technologien zu bewerten und Handlungsempfehlungen abzuleiten.
- Technologische Grundlagen von Brennstoffzellen und Wasserstoffherstellung
- Anforderungen an die Energieversorgung in typischen Einfamilienhaushalten
- Vergleich von autarken Wasserstoffsystemen und erdgasbasierten Brennstoffzellen-KWK
- Nutzwertanalyse verschiedener Anbieter zur Bewertung der Marktsituation
- Sicherheitsaspekte und Zukunftsprognosen für die Energiewirtschaft
Auszug aus dem Buch
3.1 Funktionsprinzip
Eine Brennstoffzelle wandelt die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Dies passiert bei der Umwandlung des Brennstoffes an den Elektroden, welche mit oder auch ohne Katalysator ausgeführt sein können. Die Elektroden sind dabei mittels Elektrolyt, welches als Ionenleiter dient, physisch voneinander getrennt. Der Strom entsteht dabei durch die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden. Das Elektrolyt kann zwar Ionen leiten ist jedoch nicht elektrisch leitfähig, dadurch entsteht zwischen Anode und Kathode eine Spannungsdifferenz. Wird kein Verbraucher an dem System angeschlossen, stellt sich die Zelle auf die Leerlaufspannung ein, welche die größtmögliche Spannung beschreibt, die eine einzelne Zelle für sich erreichen kann. Die Elektroden sind porös und elektrisch leitend, was zum Transport der erzeugten Elektronen dient. Auch vergrößern sie die Reaktionsfähigkeit und werden zum Abtransport der Reaktionsprodukte benötigt. Der verwendete Elektrolyt muss dabei nicht zwingend flüssig sein, sondern kann je nach Aufbau auch eine Schmelze oder ein Festkörper sein. Unabdingbar ist jedoch, dass das Elektrolyt absolut gasdicht ist. Der grundlegende Aufbau dieser Brennstoffzellen ist immer ähnlich, dennoch gibt es viele verschiedene Typen. Einen Überblick über die Einteilung und die unterschiedlichen Brennstoffzellen soll die Tabelle 1 geben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Relevanz der dezentralen, CO2-neutralen Energieversorgung und definiert die Forschungsfrage bezüglich marksfähiger Brennstoffzellensysteme für Privathaushalte.
2 Herstellung von Wasserstoff: Dieses Kapitel beschreibt verschiedene Verfahren zur Wasserstoffgewinnung, wobei die Elektrolyse als zentrales Verfahren für die dezentrale Erzeugung hervorgehoben wird.
3 Die Brennstoffzelle: Es werden die physikalischen Grundlagen, der Aufbau und die verschiedenen Typen von Brennstoffzellen sowie deren Funktionsprinzipien erläutert.
4 Speicherung von H2: Das Kapitel vergleicht Methoden der Wasserstoffspeicherung, insbesondere Druckspeicherung, kryogene Lagerung und Metallhydridspeicher.
5 Einsatz von Brennstoffzellen im privaten Haushalt: Hier werden die spezifischen Anforderungen an Haushalte, das KWK-Prinzip und konkrete markterhältliche Systeme einschließlich einer Nutzwertanalyse detailliert behandelt.
6 Ausblick und Empfehlung: Abschließend werden Zukunftsszenarien diskutiert und Handlungsempfehlungen für den Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Privathaushalten gegeben.
Schlüsselwörter
Wasserstoff, Brennstoffzelle, Privathaushalt, Elektrolyse, Kraft-Wärme-Kopplung, KWK, Energieversorgung, Speicherung, Picea, Hy2green, Nachhaltigkeit, Energiewende, Marktanalyse, Nutzwertanalyse, Erdgasreformierung.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das übergeordnete Thema dieser Bachelorarbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der dezentralen Energieversorgung von privaten Haushalten, insbesondere durch den Einsatz von Brennstoffzellen zur Strom- und Wärmeerzeugung.
Welche zentralen Themenbereiche werden behandelt?
Themen sind die Wasserstoffherstellung, die Funktionsweise von Brennstoffzellen (z. B. PEMFC, SOFC), die Speicherung von Wasserstoff sowie die praktische Integration dieser Technologien mittels Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, das Zukunftspotenzial sowie die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen für Privathaushalte zu bewerten und auf Basis einer Nutzwertanalyse Empfehlungen für verschiedene Versorgungslösungen zu geben.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt eine umfassende Literaturrecherche zu den technologischen Grundlagen sowie eine Nutzwertanalyse, um verschiedene am Markt erhältliche Brennstoffzellensysteme objektiv miteinander zu vergleichen.
Welche Inhalte dominieren den Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in technische Grundlagen zur Wasserstoffgewinnung und -speicherung sowie eine detaillierte technische und wirtschaftliche Analyse kommerzieller Systeme von Anbietern wie HPS, GKN, Viessmann und anderen.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Wichtige Begriffe sind Wasserstoffwirtschaft, Brennstofftechnologie, autarke Versorgung, Sektorenkopplung durch KWK und ökologische Energieeffizienz.
Was unterscheidet das System "Picea" von erdgasbasierten Systemen?
Picea ist ein autarkes Gesamtsystem, das Wasserstoff mittels Elektrolyse vor Ort aus Photovoltaikstrom erzeugt und saisonal speichert, während erdgasbasierte Systeme auf einen fossilen Brennstoffanschluss angewiesen sind.
Warum spielt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle eine entscheidende Rolle für Privathaushalte?
Die Temperatur beeinflusst die Integrationsfähigkeit in bestehende Heizungssysteme: Niedrigtemperatur-Systeme passen primär zu Neubauten, während Hochtemperatur-Systeme flexibler in die Brauchwassererwärmung eingebunden werden können.
Welche Rolle spielt die Nutzwertanalyse in der Arbeit?
Sie dient als strukturierte Bewertungsmethode, um Anbieter von Brennstoffzellengeräten für Erdgas basierend auf Kriterien wie Wirkungsgrad, Wartungsaufwand und Platzbedarf vergleichbar zu machen.
- Quote paper
- Fabian Loacker (Author), 2019, Energiemanagement mittels Wasserstoff im privaten Haushalt, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1296769
