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

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Präsentation zum Thema: "Wasserstoff Energieträger der Zukunft - Herausforderungen und Chancen Ein Vortrag von: Bernhard Schwinn Andreas Lechner Sebastian Meier Praxisseminar II."—  Präsentation transkript:

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

2 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft2 Gliederung des Vortrags Teil 1: Teil 1: – Geschichte der Wasserstofftechnik – Was ist Wasserstoff? – Warum Wasserstoff? – Wasserstoffwirtschaft – Die Herstellung von Wasserstoff Teil 2: Teil 2: –Speicherung von Wasserstoff Teil 3: Teil 3: – Anwendungsbereiche für Wasserstoff Diskussion Diskussion

3 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft3 "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 "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

4 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft4 Geschichte der Wasserstofftechnik Entdeckung 1766 durch den Physiker Henry Cavendish 1787 von Antoine Lavoisier benannt

5 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft5 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

6 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft6 Was ist Wasserstoff? Bestandteile: Bestandteile: –Einfach negativ geladener Kern –Ein positiv geladenes Elektron Siedepunkt: -252,8°C (20,4K) Siedepunkt: -252,8°C (20,4K) Schmelzpunkt: °C Schmelzpunkt: °C Dichte: Kg/m3 (Normaldruck) Dichte: Kg/m3 (Normaldruck) Dichte: 71 kg/m3 (flüssig) Dichte: 71 kg/m3 (flüssig) 15 mal leichter als Luft 15 mal leichter als Luft Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand) Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand)

7 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft7 Was ist Wasserstoff? Die Energiedichte von Wasserstoff: Die Energiedichte von Wasserstoff: 2,8kg 2,1kg 1kg Benzin Erdgas Wasserstoff

8 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft8 Was ist Wasserstoff? ungiftig und nicht reizend ungiftig und nicht reizend geruchlos und geschmacksneutral geruchlos und geschmacksneutral Umweltneutral Umweltneutral Wasserstoff speichert Energie Wasserstoff speichert Energie … und ist wieder verwendbar … und ist wieder verwendbar Wasserstoff + Sauerstoff => Wasser + Energie

9 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft9 Wasserstoffvorkommen Häufigstes Element im Weltall (93%) Häufigstes Element im Weltall (93%) Massenanteil an der Erdhülle 0,88 % Massenanteil an der Erdhülle 0,88 % Bestandteil von Kohlenwasserstoffen und Wasser Bestandteil von Kohlenwasserstoffen und Wasser Wasservorkommen ca. 1,4 Milliarden km³ Wasservorkommen ca. 1,4 Milliarden km³ (entspricht 11,2% des Gewichts der Erde) (entspricht 11,2% des Gewichts der Erde) Es gibt sehr viele Wasserstoffquellen auf der Erde Es gibt sehr viele Wasserstoffquellen auf der Erde

10 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft10 Warum Wasserstoff?

11 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft11 Warum Wasserstoff? 1. Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheit

12 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft12 Warum Wasserstoff? Warum Wasserstoff? Tendenz der CO 2 Produktion im Moment: stark steigend!

13 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft13 Warum Wasserstoff? 1. Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheit 2. Als sauberer Energieträger zur Reduzierung schädlicher Emissionen

14 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft14 Nachteile von Wasserstoff Irdisch nicht in reiner Form auffindbar Irdisch nicht in reiner Form auffindbar Hoher Energieaufwand zur Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser Hoher Energieaufwand zur Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser In Reinform leicht entzündlich und hochexplosiv In Reinform leicht entzündlich und hochexplosiv Schwieriges Handling Schwieriges Handling Geringe Dichte bei Raumtemperatur Geringe Dichte bei Raumtemperatur Hohe Verluste von der Herstellung bis zum Verbraucher Hohe Verluste von der Herstellung bis zum Verbraucher

15 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft15 Nachteile von Wasserstoff:

16 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft16 Die Herstellung von Wasserstoff: jährliche Produktion 500Mrd m 3 jährliche Produktion 500Mrd m 3 (entspricht 1,5% des Weltenergiebedarfs) (entspricht 1,5% des Weltenergiebedarfs) davon in Deutschland 20Mrd m 3 davon in Deutschland 20Mrd m 3 Viele entscheidende Verfahren noch in der Entwicklung und nicht Serienreif Viele entscheidende Verfahren noch in der Entwicklung und nicht Serienreif

17 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft17 Die Herstellung von Wasserstoff: Erzeugung von Wasserstoff Wasserstoff aus Algen ElektrolyseDampfreformierungKvaerner Verfahren

18 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft18 Die Herstellung von Wasserstoff: Erzeugung von Wasserstoff Wasserstoff aus Algen ElektrolyseDampfreformierungKvaerner Verfahren

19 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft19 Wasserstoff aus Algen Herstellung durch das Enzym der Grünalge Hydrogenase Herstellung durch das Enzym der Grünalge Hydrogenase Energie durch Photosynthese Energie durch Photosynthese Durch eine Schwefeldiät gibt die Alge Wasserstoff ab Durch eine Schwefeldiät gibt die Alge Wasserstoff ab

20 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft20 Die Herstellung von Wasserstoff: Erzeugung von Wasserstoff Wasserstoff aus Algen ElektrolyseDampfreformierungKvaerner Verfahren

21 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft21 Wasserstoff durch Elektrolyse:

22 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft22 Wasserstoff durch Elektrolyse: Anschließend sofortige Weiterbehandlung für den Transport Kathode: 2H e - 2OH - + H 2 Anode: 2OH - H 2 O + 0,5O 2 +2e - Bruttoreaktion: H 2 O H 2 + 0,5O 2

23 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft23 Die Herstellung von Wasserstoff: Erzeugung von Wasserstoff Wasserstoff aus Algen ElektrolyseDampfreformierungKvaerner Verfahren

24 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft24 Wasserstoff über Dampfreformierung Bereits bekanntes Verfahren mit Erdgas, Erdöl und Kohle Bereits bekanntes Verfahren mit Erdgas, Erdöl und Kohle Aktuell das größte Produktionsfeld von Wasserstoff Aktuell das größte Produktionsfeld von Wasserstoff Anwendbar für alle Kohlenwasserstoffe Anwendbar für alle Kohlenwasserstoffe Zukünftig jedoch nur sinnvoll mit dem Einsatz von Biomasse Zukünftig jedoch nur sinnvoll mit dem Einsatz von Biomasse

25 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft25 Wasserstoff über Dampfreformierung

26 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft26 Wasserstoff über Dampfreformierung Synthesegas Wasserstoff- Shift Reaktion

27 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft27 Wasserstoff über Dampfreformierung - Biomasse frei verfügbar (Müllrecycling) - Von Wetter und Ort unabhängig - Weiterverwendung von CO 2 möglich - Wirkungsgrad ~ 80% - Herstellung von Wasserstoff ohne Strom

28 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft28 Die Herstellung von Wasserstoff: Erzeugung von Wasserstoff Wasserstoff aus Algen ElektrolyseDampfreformierungKvaerner Verfahren

29 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft29 Speicherung Auftretende Probleme: Auftretende Probleme: Wasserstoff ist leicht entzündbar Wasserstoff ist leicht entzündbar

30 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft30 Speicherung Auftretende Probleme: Auftretende Probleme: sehr geringe spezifische Dichte sehr geringe spezifische Dichte schwierige Abdichtung der Behältnisse schwierige Abdichtung der Behältnisse (Wasserstoffradius = 0,037nm)

31 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft31 Speicherung Übersicht Speicherarten: Übersicht Speicherarten: Traditionelle Speicherarten Neue Speicherarten Flüssigwasser - stoffspeicherung Gasförmige Speicherung Chemische Speicherung Metall - hydridspeicherung

32 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft32 Speicherung Flüssigwasserstoffspeicherung (LH 2 ) Flüssigwasserstoffspeicherung (LH 2 ) Abkühlung des Wasserstoffs unter die Siedetemperatur (20,4 K) Abkühlung des Wasserstoffs unter die Siedetemperatur (20,4 K) Volumenverringerung auf 1/800 gegenüber dem gasförmigen Zustand Volumenverringerung auf 1/800 gegenüber dem gasförmigen Zustand

33 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft33 Speicherung Kryotank von Linde; Anwendung im BMW 745h Schwachstellen

34 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft34 Speicherung Vorteile: Vorteile: geringe Reaktivität von LH 2 geringe Reaktivität von LH 2 Erhöhung der Dichte um Faktor 800 Erhöhung der Dichte um Faktor 800 Speicherung unter Umgebungsdruck Speicherung unter Umgebungsdruck beste, auf Masse und Volumen bezogene konventionelle Speichermöglichkeit beste, auf Masse und Volumen bezogene konventionelle Speichermöglichkeit

35 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft35 Speicherung Nachteile: Nachteile: hoher Aufwand bei Wärmedämmung der Speichertanks sowie Zu- und Ablaufleitungen (bei auftretendem Leck entflieht das Gas sehr leicht) hoher Aufwand bei Wärmedämmung der Speichertanks sowie Zu- und Ablaufleitungen (bei auftretendem Leck entflieht das Gas sehr leicht) Pumpen müssen extremer Kälte widerstehen Pumpen müssen extremer Kälte widerstehen Dichte immer noch sehr gering (71kg/m³) Dichte immer noch sehr gering (71kg/m³) 25% der inneren Energie werden zur Verflüssigung benötigt 25% der inneren Energie werden zur Verflüssigung benötigt

36 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft36 Speicherung Metallhydridspeicherung (MH 2 ): Metallhydridspeicherung (MH 2 ): Allgemein Allgemein Anwendung in: U-Booten mit Brennstoffzellenantrieb U-Booten mit Brennstoffzellenantrieb Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. B. Laborgeräte) Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. B. Laborgeräte) stationärer H 2 – Speicher an H 2 - Tankstellen stationärer H 2 – Speicher an H 2 - Tankstellen Pkws Pkws

37 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft37 Speicherung Verfahren: Verfahren: GH 2 Trägermetall z.B. Ti, Mg P ü ~ p b Q ab Q zu zur Rückgewinnung

38 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft38 Speicherung Anwendungsbeispiel: Anwendungsbeispiel: Toyota (FCHV3):Flughafen München (Eingest. 2006) : Reichweite: 300km Koaxialröhren; von Flüssigkeit umgeben (Kühlung = Speicherung und Erwärmung = Freigabe

39 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft39 Speicherung Vorteile Vorteile sehr sicher sehr sicher keine besondere Beachtung des Drucks keine besondere Beachtung des Drucks Nachteile Nachteile lange Betankungszeit lange Betankungszeit geringe Speicherdichte (3 Gew.% – 5 Gew.%) geringe Speicherdichte (3 Gew.% – 5 Gew.%) für effektive Nutzung in Pkws mind. 6 Gew% nötig

40 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft40 Speicherung Nanoskalige Speicherung Nanoskalige Speicherung Geschätzte Daten 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 Akzeptable Werte für den Einsatz in der Praxis

41 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft41 Speicherung Möglicher Weg zur Realisierung durch so genannte Alanate Möglicher Weg zur Realisierung durch so genannte Alanate Alanate = Verbindungen aus Aluminium und Wasserstoff mit zulegiertem Magnesium Alanate = Verbindungen aus Aluminium und Wasserstoff mit zulegiertem Magnesium H 2 wird im Leichtmetallgitter gespeichert H 2 wird im Leichtmetallgitter gespeichert

42 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft42 Speicherung

43 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft43 Speicherung Vorteile Vorteile Verringerung der Betankungszeit von mehreren Stunden auf wenige Minuten Verringerung der Betankungszeit von mehreren Stunden auf wenige MinutenBegründung: - Erzeugung nanokristalliner aus Al und Mg durch Hochenergiemahlen

44 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft44 Speicherung Hochenergiemahler: Hochenergiemahler: Exzenter-Schwingmühle - Veränderung der Struktur auf Nanoebene - Erzeugung vieler Flächen zwischen den Kristallen

45 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft45 Speicherung Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe eines Katalysators schnellere Diffusion des Wasserstoffes Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe eines Katalysators schnellere Diffusion des Wasserstoffes

46 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft46 Speicherung Weitere Vorteile: Weitere Vorteile: Speicherung von Speicherung von mehr Wasserstoff möglich gefahrlose Speicherung gefahrlose Speicherung Nachteile: Nachteile: relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C) relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C) weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, da Verfahren noch in Kinderschuhen weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, da Verfahren noch in Kinderschuhen Speicherart Mol H/cm³ LH20,81 GH2(100 bar) 7,0 Nanokrist.11,1

47 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft47 Anwendungsspektrum BMW 7 hydrogenBrennstoffzelle

48 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft48 Brennstoffzellen Wasserstoff ErdgasCO2Methanol Reformer Brennstoffzelle Wärme + Wasser + elektrische Energie

49 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft49Brennstoffzellen

50 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft50 Brennstoffzellen Das Comeback

51 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft51 Brennstoffzellen Grundprinzip Negative Elektrode (Anode): 2 H2 4 H+ + 4 e- Positive Elektrode (Kathode): O2 + 4 e- + 4 H+ 2 H2O Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O + Elektrizität + Wärme Hier am Typ PEMFC (Proton Exchange Membrane FC)

52 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft52 Brennstoffzellen Ausführungen Grundprinzip gilt für alle, Umsetzung aber unterschiedlich Grundprinzip gilt für alle, Umsetzung aber unterschiedlich Verschiedene Elektrolyten – verschiedene Austauschionen Verschiedene Elektrolyten – verschiedene Austauschionen Oxidationsmittel (Luftsauerstoff - reiner O2) Oxidationsmittel (Luftsauerstoff - reiner O2) Brenngas (Wasserstoff, Erdgas, Benzin, CO2) Brenngas (Wasserstoff, Erdgas, Benzin, CO2) Stackbildung zur Spannungserhöhung Stackbildung zur Spannungserhöhung

53 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft53 Brennstoffzellen

54 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft54 Brennstoffzellen mobil stationär

55 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft55 Brennstoffzellen - PEMFC Am weitesten verbreitet und erforscht Am weitesten verbreitet und erforscht Elektrolyt, Katalysator ist eine Protonendurchlässige Folie Elektrolyt, Katalysator ist eine Protonendurchlässige Folie Arbeitstemperatur <100°C Arbeitstemperatur <100°C Kein reiner Sauerstoff nötig Kein reiner Sauerstoff nötig Mögliche Anwendungsgebiete: Mögliche Anwendungsgebiete: –Mobil (Verkehr) ohne Nutzung der Abwärme –Kleingeräte (als Akku-Ersatz)

56 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft56 Brennstoffzellen PEMFC frostanfällig frostanfällig Ist anfällig auf CO (10ppm) Ist anfällig auf CO (10ppm) –Membran verstopft, Reaktion bricht zusammen –Membran altert irreversibel Zukunftspotential: Zukunftspotential: hoch

57 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft57 Brennstoffzellen Wirkungsgrade

58 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft58 Summary Brennstoffzellen Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%) Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%) Keine Schadstoffemissionen Keine Schadstoffemissionen Durch Koppelung einzelner Stacks kann man hohe Leistungen erzeugen Durch Koppelung einzelner Stacks kann man hohe Leistungen erzeugen Mobiler Einsatz ist problemlos möglich Mobiler Einsatz ist problemlos möglich Für jedes Anwendungsszenario ist eine Ausführung gegeben Für jedes Anwendungsszenario ist eine Ausführung gegeben Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN… Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN…

59 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft59 Wasserstoffverbrennungsmotoren Besichtigung der Clean Energy Ausstellung im Verkehrszentrum des Dt.Museums, München

60 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft60 Wasserstoffverbrennungsmotor Verbrennungsmotoren sind technisch ausgereift Verbrennungsmotoren sind technisch ausgereift Zuverlässig Zuverlässig Antrieb gut integrierbar in bish. Systeme Antrieb gut integrierbar in bish. Systeme Niedrige Systemkosten Niedrige Systemkosten

61 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft61 Wasserstoffverbrennungsmotor Grundlegendes Prinzip: Ottomotor Grundlegendes Prinzip: Ottomotor Knallgasreaktion Knallgasreaktion Erzeugt mechanische Energie Erzeugt mechanische Energie Optimierungsbedarf ist gegeben Optimierungsbedarf ist gegeben

62 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft62

63 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft63 Wasserstoffverbrennungsmotor Äußere Gemischbildung Äußere Gemischbildung Quantitätsregelung bei Lambda 1 Quantitätsregelung bei Lambda 1 Geringe Dichte des Wasserstoffs – verdrängt viel Luft (71g/l – 780 g/l) Geringe Dichte des Wasserstoffs – verdrängt viel Luft (71g/l – 780 g/l) Schlechter Liefergrad Schlechter Liefergrad Hohe NOx Emissionen Hohe NOx Emissionen Geringe spez. Leistung Geringe spez. Leistung

64 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft64 Wasserstoffverbrennungsmotor innere Gemischbildung innere Gemischbildung Luft wird angesaugt (plus ATL) Luft wird angesaugt (plus ATL) Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar) Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar) Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad erhöht sich Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad erhöht sich Variables Luftverhältniß (Lambda>2) Variables Luftverhältniß (Lambda>2) guter Wirkungsgrad (>50%) guter Wirkungsgrad (>50%) Höhere spez. Leistung Höhere spez. Leistung Keine NOx Keine NOx

65 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft65 Innere / Tiefkalte Gemischbildung

66 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft66 Wasserstoffverbrennungsmotor Tiefkalte Saugrohreinblasung Tiefkalte Saugrohreinblasung Quasi-Aufladung Quasi-Aufladung Dichte und Energieinhalt nehmen zu Dichte und Energieinhalt nehmen zu Hohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad Hohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad Weniger Aufwand als bei innerer GB Weniger Aufwand als bei innerer GB Hohe spezifische Leistung Hohe spezifische Leistung

67 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft67 Wasserstoffverbrennungsmotor

68 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft68 Wasserstoffverbrennungsmotor Fazit: Fazit: Guter Wirkungsgrad Guter Wirkungsgrad System einfach integrierbar System einfach integrierbar Hohe Kosten Hohe Kosten Weniger Leistung (mageres Gemisch) Weniger Leistung (mageres Gemisch) Frühzündungen möglich Frühzündungen möglich Schlechte Schmiereigenschaften Schlechte Schmiereigenschaften Erheblicher Aufwand bei der Lagerung Erheblicher Aufwand bei der Lagerung Deutsches Museum, Verkehrszentrum

69 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft69 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit


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