Durch die stetig steigende Nutzung regenerativer Stromerzeugung wird das Energienetz in Deutschland immer stärker belastet. Insbesondere wird Sonnen- und Windenergie immer häufiger Strom zu Zeiten liefern, in denen dieser nicht verbraucht werden kann. Eine innovative Lösung für diese zentrale Herausforderung in der deutschen Energiepolitik wollen die Stadtwerke Mainz, Siemens, die Linde Group und die Hochschule RheinMain entwickeln: Ab 2015 soll im neuen 'Energiepark Mainz' Wasserstoff mithilfe von umweltfreundlich erzeugtem Strom aus Windenergie hergestellt werden. Wasserstoff lässt sich gut speichern und in vielfältiger Weise als Energieträger einsetzen. So soll das in Mainz produzierte Gas beispielsweise per Tankwagen zu speziellen Wasserstoff-Tankstellen geliefert und als umweltfreundlicher Kraftstoff für emissionsfreie Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden. Wasserstoff soll außerdem in das Erdgasnetz eingespeist werden, wo es für Gasheizungen oder moderne Gas- und Blockheizkraftwerke zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung zur Verfügung steht. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll auch untersucht werden, ob der in Hechtsheim produzierte Wasserstoff im Gas- und Dampfturbinenkraftwerk der Kraftwerke Mainz-Wiesbaden AG auf der Ingelheimer Aue als Brennstoff zur Rückverstromung genutzt werden kann, um eine regenerative Stromversorgung auch dann sicherzustellen, wenn kein Wind weht. Der 'Energiepark Mainz' wird im Wirtschaftspark in Mainz-Hechtsheim entstehen. Kernstück der Forschungsanlage ist eine Elektrolysehalle mit einem von Siemens entwickelten Wasserstoff-Elektrolysesystem. Hier läuft die Zerlegung des Wassers in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff ab. Im Energiepark werden alle wesentlichen Bausteine der Energiespeicherung mit Wasserstoff (Windkraft, Elektrolyse, Gaseinspeisung, Wasserstoffverdichter, Druckspeicher, Trailerbefüllung) erprobt und weiteren potenziellen Anwendern sowie Interessierten erläutert. In einem Infozentrum auf dem Gelände wird Besuchern die Funktionsweise der Wasserstoff-Elektrolyse und die Stellung von Speichertechnologien im zukünftigen Energiesystem erklärt werden. Die Anlage kann bis zu 6 Megawatt Strom aufnehmen und hat damit eine für Engpässe im Verteilnetz relevante Leistungsklasse. So können ähnliche Anlagen in Zukunft an vielen Standorten sinnvoll eingesetzt werden. Bei der geplanten Anlage handelt es sich um die bisher größte ihrer Art.
Ziel dieses Antrags ist die Realisierung einer photoelektrochemischen Tandemzelle (PETZ) mit 2-Kammern im Labormaßstab, die mit Sonnenlicht photokatalytisch Abwässer aufreinigt und simultan Wasserstoff produziert. Dadurch werden sowohl der erneuerbare Energieträger Wasserstoff generiert als auch gleichzeitig hoch akute Umweltprobleme adressiert. An der Justus Liebig Universität Giessen (JLU) werden schichtförmige Metalloxide mittels Sol-Gel-Methoden hergestellt. Anschließend werden sie hinsichtlich ihrer photokatalytischen und photoelektrochemischen Eigenschaften untersucht, wobei die aktivsten Pulver bei H.C. Starck GmbH (HCST) mit optimierter Morphologie im 500g-Maßstab hergestellt werden. An der Leibniz Universität Hannover (LUH) werden die Reaktionsmechanismen der Wasserstoffbildung und des Schadstoffabbaus an den Materialien von JLU und HCST näher untersucht. Die Effizienzwerte sowie die mechanistischen Erkenntnisse werden an JLU und HCST als Grundlage für weitere Optimierungen weitergegeben. Die Helmut Schmidt Universität Hamburg (HSU) verwendet die Pulver von HCST zum Kaltgasspritzen von Elektroden, die an der JLU photoelektrochemisch und an der LUH mechanistisch charakterisiert werden, im Vergleich zu direkt aus den schichtförmigen Materialien hergestellten Photoelektroden. HSU gibt die Ergebnisse auch an Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) weiter. DLR erstellt basierend auf den Ergebnissen von HSU, LUH und JLU Entwürfe und Konstruktionen skalierbarer Photoreaktoren. JLU konstruiert eine photoelektrochemische 2-Kammer-Messzelle zur Wasserstofferzeugung bei simultaner Abwasserreinigung im Labormaßstab.
Nach Plänen der EU soll bis zum Jahre 2010 ein Anteil von 5,75Prozent des Kraftstoffbedarfs auf rein biogener Basis, d. h. durch Biomasse, gedeckt werden. In Deutschland sind biogene Kraftstoffe bereits steuerbefreit, und in der EU wird diskutiert, diesem Beispiel zu folgen. Daher sind derzeit die Forschungsaktivitäten in dieser Richtung zu intensivieren. Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes 'Umwelt- und Bioverfahrenstechnik' wird im Labor Verfahrenstechnik an der Entwicklung von Prozessen zur Umwandlung von fester Biomasse in flüssige Kraftstoffe, sogenannte BTL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid), gearbeitet. Das Projekt 'Kosten- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für Anlagen zur Umwandlung von fester Biomasse in flüssige Kraftstoffe' flankiert das Projekt 'Umwandlung von Biomasse'. Ziel des Projektes ist es, für das DoS-Verfahren (Direktverflüssigung organischer Substanzen), einem Druckprozess zur Gewinnung hochwertiger flüssiger Motorenkraftstoffe aus Biomasse, Fragen der Wirtschaftlichkeit zu klären. In einer ersten Projektstufe wurden Methoden für Kosten- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für Biomasseverflüssigungsverfahren im Rahmen von Studienprojekten am Modellfall der direkten thermischen Umwandlung von Pflanzenölen in Benzin und Diesel im Vergleich zur konventionellen Biodieselherstellung erarbeitet. Auf dieser Basis wurde ein Computerprogramm als Instrument zur mathematischen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und zur Variantenanalyse für verschiedene Szenarien erstellt. In der nachfolgenden Projektstufe wurde der Modellfall der Pflanzenölumwandlung in Kooperation mit einer mittelständischen Anlagenbaufirma übertragen auf die Umwandlung fester Biomasse in flüssige Motorenkraftstoffe nach dem DoS-Verfahren. Für das Szenario Deutschland ergeben sich bei einer Amotisationsdauer von 2 Jahren Herstellungskosten von etwa 0,38 € pro Liter Kraftstoff (anteilig Benzin- und Dieselkraftstoff). Für das Szenario eines Entwicklungslandes wie beispielsweise Uganda reduzieren sich die Herstellungskosten auf etwa 0,27 € pro Liter. Darüber hinaus wurde das DoS-Produktöl als alternative Wasserstoffquelle im Rahmen zukünftiger Wasserstofftechnologie-Szenarien kalkuliert. Hierbei zeigte sich, dass die Herstellung von Wasserstoff aus DoS-Öl mit nur etwa 0,15 € pro Nm3 deutlich günstiger ist als alle übrigen in Betracht gezogenen alternativen Wasserstoffproduktionsvarianten auf Basis von Wasserkraft, Windkraft oder Solarenergie. Die Ergebnisse dieser Arbeiten dienen als Grundlage für Drittmittelverhandlungen mit Förderstellen und Investoren. DoS-Öl mit nur etwa 0,15 € pro Nm3 deutlich günstiger ist als alle übrigen in Betracht gezogenen alternativen Wasserstoffproduktionsvarianten auf Basis von Wasserkraft, Windkraft oder Solarenergie.