Energieträger der Zukunft - Herausforderungen und Chancen

Energieträger der Zukunft - Herausforderungen und Chancen
Wasserstoff Energieträger der Zukunft - Herausforderungen und Chancen Ein Vortrag von: Bernhard Schwinn Andreas Lechner Sebastian Meier Praxisseminar II WS07/08

Gliederung des Vortrags
Teil 1: Geschichte der Wasserstofftechnik Was ist Wasserstoff? Warum Wasserstoff? Wasserstoffwirtschaft Die Herstellung von Wasserstoff Teil 2: Speicherung von Wasserstoff Teil 3: Anwendungsbereiche für Wasserstoff Diskussion Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff - Energieträger der Zukunft
"Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern." Jules Verne, 1874 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Geschichte der Wasserstofftechnik
Entdeckung 1766 durch den Physiker Henry Cavendish 1787 von Antoine Lavoisier benannt Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Geschichte der Wasserstofftechnik
1807: Bau des ersten Wasserstoffantriebs durch Francois Isaac de Revaz 1898: erstmalige Verflüssigung von Wasserstoff durch den Chemiker James Dewar Ab Mitte 20tes Jahrhundert: Nutzung von Wasserstoff für die Raumfahrt 1975: Vorstellung des ersten Wasserstoffgetriebenen Fahrzeug von Mercedes Das Wasserstoffzeitalter steht vor der Tür! 1839: Erfindung der Brennstoffzelle durch Sir William Robert Grove Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Was ist Wasserstoff? Bestandteile: Einfach negativ geladener Kern Ein positiv geladenes Elektron Siedepunkt: -252,8°C (20,4K) Schmelzpunkt: °C Dichte: Kg/m3 (Normaldruck) Dichte: 71 kg/m3 (flüssig) 15 mal leichter als Luft Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand) Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Kern und einem negativ geladenen Elektron , einfachstes aller elemente, 15x leichter als luft Höchste energiedichte: 1 kg Wasserstoff enthält ebensoviel Energie wie 2,1 kg Erdgas oder 2,8 kg Benzin Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Was ist Wasserstoff? Die Energiedichte von Wasserstoff: Benzin 2,8kg Erdgas 2,1kg Wasserstoff 1kg Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Was ist Wasserstoff? ungiftig und nicht reizend geruchlos und geschmacksneutral Umweltneutral Wasserstoff speichert Energie … und ist wieder verwendbar Wasserstoff + Sauerstoff => Wasser + Energie Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoffvorkommen
Häufigstes Element im Weltall (93%) Massenanteil an der Erdhülle 0,88 % Bestandteil von Kohlenwasserstoffen und Wasser Wasservorkommen ca. 1,4 Milliarden km³ (entspricht 11,2% des Gewichts der Erde) Es gibt sehr viele Wasserstoffquellen auf der Erde häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen Macht 93 % aller Atome im Sonnensystem aus. Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Warum Wasserstoff? Die weltweiten Vorräte an Öl, Gas und Uran sind in einigen Jahrzehnten erschöpft, und auch die Kohlevorräte sind begrenzt. Da gleichzeitig der Energiehunger der Weltbevölkerung stetig steigt, wird es in naher Zukunft zu einer drastischen Verknappung der Energieressourcen kommen. Bald gibt es keine energieträger mehr nur strom! umkehrung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Warum Wasserstoff? Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheit Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Warum Wasserstoff? Siehe al gore „an inconvienient truth“ Tendenz der CO2 Produktion im Moment: stark steigend! Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Warum Wasserstoff? Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheit Als sauberer Energieträger zur Reduzierung schädlicher Emissionen Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Nachteile von Wasserstoff
Irdisch nicht in reiner Form auffindbar Hoher Energieaufwand zur Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser In Reinform leicht entzündlich und hochexplosiv Schwieriges Handling Geringe Dichte bei Raumtemperatur Hohe Verluste von der Herstellung bis zum Verbraucher Beispiel frankfurter flughafen: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Nachteile von Wasserstoff:
Grosses problem: unglaubliche verluste von der herstellung bis zum einsatz Trifft auch auf die gegenwärtige energieversorgung zu,nur nicht in dem masse (transport, raffinierung etc) Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Die Herstellung von Wasserstoff:
jährliche Produktion 500Mrd m3 (entspricht 1,5% des Weltenergiebedarfs) davon in Deutschland 20Mrd m3 Viele entscheidende Verfahren noch in der Entwicklung und nicht Serienreif Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff aus Algen Herstellung durch das Enzym der Grünalge „Hydrogenase“ Energie durch Photosynthese Durch eine „Schwefeldiät“ gibt die Alge Wasserstoff ab Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff durch Elektrolyse:

Wasserstoff durch Elektrolyse:
Kathode: 2H20 + 2e-  2OH- + H2 Anode: OH  H2O + 0,5O2 +2e- Bruttoreaktion: H2O  H2 + 0,5O2  Anschließend sofortige Weiterbehandlung für den Transport Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff über Dampfreformierung
Bereits bekanntes Verfahren mit Erdgas, Erdöl und Kohle Aktuell das größte Produktionsfeld von Wasserstoff Anwendbar für alle Kohlenwasserstoffe Zukünftig jedoch nur sinnvoll mit dem Einsatz von Biomasse Vergasen beschreibt einen chemisch-physikalischen Vorgang, bei dem ein Teil eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit in ein gasförmiges Endprodukt überführt wird. Dies geschieht durch Erhitzung, gegebenenfalls unter einer speziellen, sauerstoffarmen Atmosphäre. Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Synthesegas muss gereinigt werden OPTIMIERUNGSBEDARF!!! Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Synthesegas „Wasserstoff-Shift“ Reaktion Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Biomasse frei verfügbar (Müllrecycling) Von Wetter und Ort unabhängig Weiterverwendung von CO2 möglich Wirkungsgrad ~ 80% Herstellung von Wasserstoff ohne Strom Noch in der entwicklungsstufe Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Auftretende Probleme:  Wasserstoff ist leicht entzündbar Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Auftretende Probleme:  sehr geringe spezifische Dichte  schwierige Abdichtung der Behältnisse (Wasserstoffradius = 0,037nm) Zu Abdichtung: Wasserstoff lagert sich nur schlecht an der Oberfläche anderer Materialien an Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Übersicht Speicherarten: Traditionelle Speicherarten
Neue Speicherarten Flüssigwasser -stoffspeicherung Gasförmige Speicherung Metall - hydridspeicherung Chemische Speicherung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Flüssigwasserstoffspeicherung (LH2)  Abkühlung des Wasserstoffs unter die Siedetemperatur (20,4 K)  Volumenverringerung auf 1/800 gegenüber dem gasförmigen Zustand Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Schwachstellen Hohlraum unter Vakuum Kryotank von Linde; Anwendung im BMW 745h Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Vorteile:  geringe Reaktivität von LH2  Erhöhung der Dichte um Faktor 800  Speicherung unter Umgebungsdruck  beste, auf Masse und Volumen bezogene konventionelle Speichermöglichkeit Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Nachteile:  hoher Aufwand bei Wärmedämmung der Speichertanks sowie Zu- und Ablaufleitungen (bei auftretendem Leck entflieht das Gas sehr leicht)  Pumpen müssen extremer Kälte widerstehen  Dichte immer noch sehr gering (71kg/m³)  25% der inneren Energie werden zur Verflüssigung benötigt Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Metallhydridspeicherung (MH2): Allgemein Anwendung in:  U-Booten mit Brennstoffzellenantrieb  Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. B. Laborgeräte)  stationärer H2 – Speicher an H2 - Tankstellen  Pkws Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Verfahren: Pü ~ pb GH2 Qab Trägermetall z.B. Ti, Mg Qzu zur Rückgewinnung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Anwendungsbeispiel: Toyota (FCHV3): Flughafen München (Eingest. 2006): Reichweite: 300km Koaxialröhren; von Flüssigkeit umgeben (Kühlung = Speicherung und Erwärmung = Freigabe Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Vorteile  sehr sicher  keine besondere Beachtung des Drucks Nachteile  lange Betankungszeit  geringe Speicherdichte (3 Gew.% – 5 Gew.%) für effektive Nutzung in Pkws mind. 6 Gew% nötig Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Nanoskalige Speicherung Geschätzte Daten Energiespeicherkapazität: ca. 7 Gew. % Masse Wasserstoff: 3,1 kg Reichweite für Pkw: ca. 450 km  Akzeptable Werte für den Einsatz in der Praxis Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Möglicher Weg zur Realisierung durch so genannte Alanate Alanate = Verbindungen aus Aluminium und Wasserstoff mit zulegiertem Magnesium H2 wird im Leichtmetallgitter gespeichert Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Vorteile  Verringerung der Betankungszeit von mehreren Stunden auf wenige Minuten Begründung: - Erzeugung nanokristalliner aus Al und Mg durch Hochenergiemahlen Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Hochenergiemahler: Veränderung der Struktur auf Nanoebene - Erzeugung vieler Flächen zwischen den Kristallen Exzenter-Schwingmühle Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe eines Katalysators  schnellere Diffusion des Wasserstoffes Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Speicherung Weitere Vorteile:  Speicherung von mehr Wasserstoff möglich  gefahrlose Speicherung Nachteile:  relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C)  weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, da Verfahren noch in „Kinderschuhen“ Speicherart Mol H/cm³ LH2 0,81 GH2(100 bar) 7,0 Nanokrist. 11,1 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Anwendungsspektrum BMW 7 hydrogen Brennstoffzelle Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Erdgas Methanol CO2 Reformer Wärme + Wasser + elektrische Energie Brennstoffzelle am meisten bekannte System zur Rückwandlung von gespeicherter Energie im Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Brennstoffzellen sind sogenannte elektrochemische Energiewandler. Durch sie ist es möglich, den chemischen Energiegehalt eines Brennstoffs, im Idealfall Wasserstoff, ohne den Umweg über eine Wärme-Kraftmaschine direkt in elektrische Energie umzusetzen. verschiedene Ausführungen, zugeschnitten für die jeweiligen Einsatzgebiete, auf die später noch näher eingegangen wird. Wasserstoff Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Im Jahr 1839 hat der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove die Entdeckung der Umkehrung zur Elektrolyse gemacht. Er zeigte, dass sich aus W und S in einem galvanischen Element Strom gewinnen lässt Vier in Reihe geschaltete BZ, konnte Elektrolyseur betreiben An der Brennstoffzelle wurde in verschiedenen Varianten weiter geforscht. nicht reif für die Technik. Elektrochemie wurde nicht verstanden, Siemens Dynamo erzeugte viel einfacher Strom ohne Umwege (zur Spaltung von Wasser brauchte man ja auch Strom) Nächste Folie! Erst im 20. Jahrhundert kam man wieder auf die "neue" Technik zurück. So wurden Brennstoffzellen in der Raumfahrt eingesetzt und versorgten schon die Gemini- und Apollo-Raumfähren mit elektrischem Strom Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Das Comeback Da bei der BZ Wasser als Reaktionsprodukt entsteht war es hier sehr praktisch, denn trinkbar Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Grundprinzip
Negative Elektrode (Anode): 2 H2 H+ + 4 e- Positive Elektrode (Kathode): O2 + 4 e- + 4 H+ H2O Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 H2O Elektrizität + Wärme Grundprinzip, hier am Typ PEMFC. Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und in Ionen umgewandelt, wandern durch die Membran zur Kathode. Die Elektronen fließen auch zur K, allerdings über einen el.Verbraucher. An der Kathode wird der Sauerstoff durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den Wasserstoffproton zu wasser. Hier am Typ PEMFC (Proton Exchange Membrane FC) Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Ausführungen
Grundprinzip gilt für alle, Umsetzung aber unterschiedlich Verschiedene Elektrolyten – verschiedene Austauschionen Oxidationsmittel (Luftsauerstoff - reiner O2) Brenngas (Wasserstoff, Erdgas, Benzin, CO2) Stackbildung zur Spannungserhöhung Wie Grove schaltet man BZ in Reihe, um die Spannung zu erhöhen Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen PEMFC erklären, verschiedene Elektrolyten, verschiedene Gase, Reaktionsprodukte, Austauschionen Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen stationär mobil Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen - PEMFC
Am weitesten verbreitet und erforscht Elektrolyt, Katalysator ist eine Protonendurchlässige Folie Arbeitstemperatur <100°C Kein reiner Sauerstoff nötig Mögliche Anwendungsgebiete: Mobil (Verkehr) ohne Nutzung der Abwärme Kleingeräte (als Akku-Ersatz) Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen PEMFC
frostanfällig Ist anfällig auf CO (10ppm) Membran „verstopft“, Reaktion bricht zusammen Membran altert irreversibel Zukunftspotential: DMFC funktioniert genau wie beschrieben nur mit Methanol, kein H2, aber bis zur Umstellung gut geeignet FOLIE!!! hoch Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Brennstoffzellen Wirkungsgrade
Für Stationäre Anwendungen mehr DMFC und SOFC, da Leistungen bis in den 100MW Bereich erreichbar sind und wir diese hohen Leistungen auch brauchen, wollen wir Großkraftwerke in Zukunft ersetzen… Die Isar KKW haben eine Leistung von ca 1GW FOLIE!!! Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Summary Brennstoffzellen
Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%) Keine Schadstoffemissionen Durch Koppelung einzelner Stacks kann man hohe Leistungen erzeugen Mobiler Einsatz ist problemlos möglich Für jedes Anwendungsszenario ist eine Ausführung gegeben Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN… Brennstoffzellen: mobil und stationär, decken einen großen Teil der Energiewirtschaft ab, jedoch ist im Verkehrssektor der Einsatz fragwürdig, da die heutigen Antriebskonzepte nicht zu einer Brennstoffzelle passen (vor allem die Leistung) Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoffverbrennungsmotoren
Besichtigung der „Clean Energy“ Ausstellung im Verkehrszentrum des Dt.Museums, München Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoffverbrennungsmotor
Verbrennungsmotoren sind technisch ausgereift Zuverlässig Antrieb gut integrierbar in bish. Systeme Niedrige Systemkosten Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Grundlegendes Prinzip: Ottomotor Knallgasreaktion Erzeugt mechanische Energie Optimierungsbedarf ist gegeben Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Äußere Gemischbildung Quantitätsregelung bei Lambda 1 Geringe Dichte des Wasserstoffs – verdrängt viel Luft (71g/l – 780 g/l) Schlechter „Liefergrad“ Hohe NOx Emissionen Geringe spez. Leistung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

innere Gemischbildung Luft wird angesaugt (plus ATL) Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar) Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad erhöht sich Variables Luftverhältniß (Lambda>2) guter Wirkungsgrad (>50%) Höhere spez. Leistung Keine NOx Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Innere / Tiefkalte Gemischbildung

Tiefkalte Saugrohreinblasung „Quasi-Aufladung“ Dichte und Energieinhalt nehmen zu Hohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad Weniger Aufwand als bei innerer GB Hohe spezifische Leistung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff-Saugmotor(7er) im Vergleich zur H2-Direkteinspritzung… Achtung auf spezifische Leistung und Drehmoment, auch keine NOx und hoher Wirkungsgrad. BMW Patent an diesem Konzept Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Fazit: Guter Wirkungsgrad System einfach integrierbar Hohe Kosten Weniger Leistung (mageres Gemisch) Frühzündungen möglich Schlechte Schmiereigenschaften Erheblicher Aufwand bei der Lagerung Deutsches Museum, Verkehrszentrum Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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