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

Wasserstoff Wasserstoff

Energieträger der Zukunft -Energieträger der Zukunft -

Herausforderungen und Herausforderungen und ChancenChancen

Ein Vortrag von:

Bernhard Schwinn

Andreas Lechner

Sebastian Meier

Praxisseminar II

WS07/08

03.12.200703.12.2007 Wasserstoff - Energieträger der ZukuWasserstoff - Energieträger der Zukunftnft

22

Gliederung des VortragsGliederung des Vortrags

• Teil 1:Teil 1:– Geschichte der WasserstofftechnikGeschichte der Wasserstofftechnik– Was ist Wasserstoff?Was ist Wasserstoff?– Warum Wasserstoff?Warum Wasserstoff?– WasserstoffwirtschaftWasserstoffwirtschaft– Die Herstellung von Wasserstoff Die Herstellung von Wasserstoff

• Teil 2: Teil 2: – Speicherung von WasserstoffSpeicherung von Wasserstoff

• Teil 3:Teil 3:– Anwendungsbereiche für WasserstoffAnwendungsbereiche für Wasserstoff

• DiskussionDiskussion


33

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

Jules Verne, 1874Jules Verne, 1874


44

Geschichte der Geschichte der WasserstofftechnikWasserstofftechnik

Entdeckung 1766 durchEntdeckung 1766 durchden Physiker Henry Cavendishden Physiker Henry Cavendish

1787 von Antoine Lavoisier 1787 von Antoine Lavoisier benanntbenannt


55

Geschichte der Geschichte der WasserstofftechnikWasserstofftechnik

1807: Bau des ersten Wasserstoffantriebs1807: Bau des ersten Wasserstoffantriebsdurch Francois Isaac de Revazdurch Francois Isaac de Revaz

1898: erstmalige Verflüssigung von 1898: erstmalige Verflüssigung von Wasserstoff durch den Chemiker James DewarWasserstoff durch den Chemiker James Dewar

Ab Mitte 20tes Jahrhundert:Ab Mitte 20tes Jahrhundert:Nutzung von Wasserstoff für die RaumfahrtNutzung von Wasserstoff für die Raumfahrt

1975: Vorstellung des ersten Wasserstoffgetriebenen Fahrzeug von Mercedes

Das Wasserstoffzeitalter steht vor der Tür!1839: Erfindung der 1839: Erfindung der Brennstoffzelle durch Sir Brennstoffzelle durch Sir William Robert GroveWilliam Robert Grove


66

Was ist Wasserstoff? Was ist Wasserstoff?

• Bestandteile:Bestandteile:– Einfach negativ geladener KernEinfach negativ geladener Kern– Ein positiv geladenes ElektronEin positiv geladenes Elektron

• Siedepunkt: -252,8°C (20,4K)Siedepunkt: -252,8°C (20,4K)• Schmelzpunkt: -259.2°CSchmelzpunkt: -259.2°C• Dichte: 0.0899 Kg/m3 (Normaldruck)Dichte: 0.0899 Kg/m3 (Normaldruck)• Dichte: 71 kg/m3 (flüssig)Dichte: 71 kg/m3 (flüssig)• 15 mal leichter als Luft15 mal leichter als Luft• Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand)Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand)


77

Was ist Wasserstoff?Was ist Wasserstoff?• Die Energiedichte von Wasserstoff:Die Energiedichte von Wasserstoff:

2,8kg

2,1kg

1kg

Benzin

Erdgas

Wasserstoff


88

Was ist Wasserstoff?Was ist Wasserstoff?

• ungiftig und nicht reizend ungiftig und nicht reizend

• geruchlos und geschmacksneutral geruchlos und geschmacksneutral

• UmweltneutralUmweltneutral

• Wasserstoff Wasserstoff speichertspeichert Energie Energie

… … und ist wieder verwendbarund ist wieder verwendbar

Wasserstoff + Sauerstoff => Wasser + Energie


99

WasserstoffvorkommenWasserstoffvorkommen

• 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 Bestandteil von Kohlenwasserstoffen und

WasserWasser• 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 Es gibt sehr viele Wasserstoffquellen auf der Erdeder Erde


1010

Warum Wasserstoff?Warum Wasserstoff?


1111


1.1. Als alternativer Energieträger Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheitaufgrund der Rohstoffknappheit


1212


Tendenz der CO2 Produktion im Moment: stark steigend!

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/05/CO2Anstieg.png


1313


1.1. Als alternativer Energieträger Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheitaufgrund der Rohstoffknappheit

2.2. Als sauberer Energieträger zur Als sauberer Energieträger zur Reduzierung schädlicher Reduzierung schädlicher EmissionenEmissionen


1414

Nachteile von WasserstoffNachteile von Wasserstoff

• Irdisch nicht in reiner Form auffindbarIrdisch nicht in reiner Form auffindbar• Hoher Energieaufwand zur Abspaltung von Hoher Energieaufwand zur Abspaltung von

Wasserstoff aus WasserWasserstoff aus Wasser• In Reinform leicht entzündlich und hochexplosivIn Reinform leicht entzündlich und hochexplosiv• Schwieriges HandlingSchwieriges Handling• Geringe Dichte bei RaumtemperaturGeringe Dichte bei Raumtemperatur• Hohe Verluste von der Herstellung Hohe Verluste von der Herstellung

bis zum Verbraucher bis zum Verbraucher


1515

Nachteile von Wasserstoff:Nachteile von Wasserstoff:


1616

Die Herstellung von Die Herstellung von Wasserstoff:Wasserstoff:

• jährliche Produktion 500Mrd mjährliche Produktion 500Mrd m33

(entspricht 1,5% des (entspricht 1,5% des Weltenergiebedarfs)Weltenergiebedarfs)

• davon in Deutschland 20Mrd mdavon in Deutschland 20Mrd m33

• Viele entscheidende Verfahren noch Viele entscheidende Verfahren noch in der Entwicklung und in der Entwicklung und nichtnicht SerienreifSerienreif


1717


Erzeugung von Wasserstoff

Elektrolyse DampfreformierungWasserstoff aus

AlgenKvaerner Verfahren


1818






1919

Wasserstoff aus AlgenWasserstoff aus Algen

• Herstellung durch das Herstellung durch das Enzym der Grünalge Enzym der Grünalge „Hydrogenase“„Hydrogenase“

• Energie durch Energie durch PhotosynthesePhotosynthese

• Durch eine Durch eine „Schwefeldiät“ gibt die „Schwefeldiät“ gibt die Alge Wasserstoff abAlge Wasserstoff ab


2020






2121

Wasserstoff durch Wasserstoff durch Elektrolyse:Elektrolyse:


2222

Wasserstoff durch Wasserstoff durch Elektrolyse:Elektrolyse:

Anschließend sofortige Weiterbehandlung für den Transport

Kathode: 2HKathode: 2H220 + 2e0 + 2e-- 2OH 2OH-- + H + H22

Anode: 2OHAnode: 2OH- - H H22O + 0,5OO + 0,5O22 +2e+2e--

Bruttoreaktion: HBruttoreaktion: H22O O H H22 + 0,5O + 0,5O22


2323






2424

Wasserstoff über Wasserstoff über DampfreformierungDampfreformierung

• Bereits bekanntes Verfahren mit Erdgas, Erdöl Bereits bekanntes Verfahren mit Erdgas, Erdöl und Kohle und Kohle

• Aktuell das größte Produktionsfeld von Wasserstoff Aktuell das größte Produktionsfeld von Wasserstoff • Anwendbar für alle KohlenwasserstoffeAnwendbar für alle Kohlenwasserstoffe

Zukünftig jedoch nur sinnvoll mit dem Einsatz von Zukünftig jedoch nur sinnvoll mit dem Einsatz von BiomasseBiomasse


2525



2626


Synthesegas

„Wasserstoff-Shift“ Reaktion


2727


- Biomasse frei verfügbar Biomasse frei verfügbar (Müllrecycling)(Müllrecycling)

- Von Wetter und Ort unabhängigVon Wetter und Ort unabhängig

- Weiterverwendung von COWeiterverwendung von CO2 2 möglichmöglich

- Wirkungsgrad ~ 80%Wirkungsgrad ~ 80%

- Herstellung von Wasserstoff Herstellung von Wasserstoff ohneohne StromStrom


2828






2929

SpeicherungSpeicherung

• Auftretende Probleme:Auftretende Probleme:

Wasserstoff ist leicht entzündbarWasserstoff ist leicht entzündbar


3030


• Auftretende Probleme:Auftretende Probleme:

sehr geringe spezifische Dichtesehr geringe spezifische Dichte

schwierige Abdichtung der schwierige Abdichtung der BehältnisseBehältnisse

(Wasserstoffradius = 0,037nm)(Wasserstoffradius = 0,037nm)


3131


• Übersicht Speicherarten:Übersicht Speicherarten:Traditionelle Speicherarte

n

Neue Speicherarten

Flüssigwasser -stoffspeicherung

Gasförmige Speicherung

Chemische Speicherung

Metall - hydridspeicheru

ng


3232


• Flüssigwasserstoffspeicherung Flüssigwasserstoffspeicherung (LH(LH22))

Abkühlung des Wasserstoffs unter Abkühlung des Wasserstoffs unter die die Siedetemperatur (20,4 K)Siedetemperatur (20,4 K)

Volumenverringerung auf 1/800 Volumenverringerung auf 1/800 gegenüber dem gasförmigen Zustandgegenüber dem gasförmigen Zustand


3333


Kryotank von Linde; Anwendung im BMW 745h

Schwachstellen


3434


• Vorteile:Vorteile:

geringe Reaktivität von LHgeringe Reaktivität von LH22

Erhöhung der Dichte um Faktor 800Erhöhung der Dichte um Faktor 800

Speicherung unter Speicherung unter UmgebungsdruckUmgebungsdruck

beste, auf Masse und Volumen beste, auf Masse und Volumen bezogene konventionelle bezogene konventionelle SpeichermöglichkeitSpeichermöglichkeit


3535


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

Verflüssigung benötigtVerflüssigung benötigt


3636


• Metallhydridspeicherung (MHMetallhydridspeicherung (MH22):):

• AllgemeinAllgemein

Anwendung in:Anwendung in:

U-Booten mit BrennstoffzellenantriebU-Booten mit Brennstoffzellenantrieb

Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. B. B. Laborgeräte)Laborgeräte)

stationärer Hstationärer H22 – Speicher an H – Speicher an H22 - - TankstellenTankstellen

PkwsPkws


3737

SpeicherungSpeicherung• Verfahren:Verfahren:

GH2

Trägermetall

z.B. Ti, Mg

Pü ~ pb

Qab

Qzu zur Rückgewinnung


3838

SpeicherungSpeicherung• Anwendungsbeispiel:Anwendungsbeispiel:

Toyota (FCHV3):Toyota (FCHV3): Flughafen München Flughafen München ((Eingest. Eingest.

2006)2006)::

Reichweite: 300km Koaxialröhren; von Flüssigkeit umgeben (Kühlung = Speicherung und Erwärmung = Freigabe


3939


• VorteileVorteile sehr sichersehr sicher keine besondere Beachtung des Druckskeine besondere Beachtung des Drucks

• NachteileNachteile lange Betankungszeitlange Betankungszeit geringe Speicherdichte (3 Gew.% – 5 geringe Speicherdichte (3 Gew.% – 5 Gew.%)Gew.%)

für effektive Nutzung in Pkws mind. 6 für effektive Nutzung in Pkws mind. 6 Gew% Gew% nötignötig


4040


• Nanoskalige SpeicherungNanoskalige Speicherung• Geschätzte DatenGeschätzte Daten

Energiespeicherkapazität: ca. 7 Gew. %Energiespeicherkapazität: ca. 7 Gew. %Masse Wasserstoff: 3,1 kgMasse Wasserstoff: 3,1 kgReichweite für Pkw: ca. 450 kmReichweite für Pkw: ca. 450 km

Akzeptable Werte für den Einsatz Akzeptable Werte für den Einsatz in der in der PraxisPraxis


4141


• Möglicher Weg zur Realisierung Möglicher Weg zur Realisierung durch so genannte durch so genannte AlanateAlanate

• Alanate = Verbindungen aus Alanate = Verbindungen aus Aluminium und Wasserstoff mit Aluminium und Wasserstoff mit zulegiertem Magnesiumzulegiertem Magnesium

• HH22 wird im Leichtmetallgitter wird im Leichtmetallgitter gespeichertgespeichert


4242



4343


• VorteileVorteile

Verringerung der Betankungszeit Verringerung der Betankungszeit von von mehreren Stunden auf wenige mehreren Stunden auf wenige MinutenMinuten

Begründung:Begründung:

- Erzeugung nanokristalliner aus - Erzeugung nanokristalliner aus Al und Al und Mg durch Mg durch HochenergiemahlenHochenergiemahlen


4444


• Hochenergiemahler:Hochenergiemahler:

Exzenter-Schwingmühle

- Veränderung der Struktur auf Nanoebene

- Erzeugung vieler Flächen zwischen den Kristallen


4545


• Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe eines Katalysators eines Katalysators schnellere Diffusion schnellere Diffusion des Wasserstoffesdes Wasserstoffes


4646


• Weitere Vorteile:Weitere Vorteile: Speicherung von Speicherung von

mehr Wasserstoff möglichmehr Wasserstoff möglich

gefahrlose Speicherunggefahrlose Speicherung

• Nachteile:Nachteile: relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C)relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C) weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, da da Verfahren noch in „Kinderschuhen“Verfahren noch in „Kinderschuhen“

SpeicherartSpeicherart Mol Mol H/cm³H/cm³

LH2LH2 0,810,81

GH2(100 bar)GH2(100 bar) 7,07,0

Nanokrist.Nanokrist. 11,111,1


4747

AnwendungsspektrumAnwendungsspektrum

BMW 7 hydrogen Brennstoffzelle


4848

BrennstoffzellenBrennstoffzellen

Wasserstoff

Erdgas CO2Methanol

Reformer Brennstoffzelle Wärme+ Wasser

+ elektrische Energie


4949



5050


Das Comeback


5151

Brennstoffzellen Brennstoffzellen GrundprinzipGrundprinzipNegative 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)


5252

Brennstoffzellen Brennstoffzellen AusführungenAusführungen• Grundprinzip gilt für alle, Grundprinzip gilt für alle,

Umsetzung aber Umsetzung aber unterschiedlichunterschiedlich

• Verschiedene Elektrolyten – Verschiedene Elektrolyten – verschiedene Austauschionenverschiedene Austauschionen

• Oxidationsmittel Oxidationsmittel (Luftsauerstoff - reiner O2)(Luftsauerstoff - reiner O2)

• Brenngas (Wasserstoff, Brenngas (Wasserstoff, Erdgas, Benzin, CO2) Erdgas, Benzin, CO2)

• Stackbildung zur Stackbildung zur SpannungserhöhungSpannungserhöhung


5353



5454


mobil

stationär


5555

Brennstoffzellen - PEMFCBrennstoffzellen - PEMFC

• Am weitesten verbreitet und erforschtAm weitesten verbreitet und erforscht• Elektrolyt, Katalysator ist eine Elektrolyt, Katalysator ist eine

Protonendurchlässige FolieProtonendurchlässige Folie• Arbeitstemperatur Arbeitstemperatur <100<100°C°C• Kein reiner Sauerstoff nötigKein reiner Sauerstoff nötig• Mögliche Anwendungsgebiete:Mögliche Anwendungsgebiete:

– Mobil (Verkehr) ohne Nutzung der Mobil (Verkehr) ohne Nutzung der AbwärmeAbwärme

– Kleingeräte (als Akku-Ersatz)Kleingeräte (als Akku-Ersatz)


5656

Brennstoffzellen PEMFCBrennstoffzellen PEMFC

• frostanfälligfrostanfällig

• Ist anfällig auf CO (10ppm)Ist anfällig auf CO (10ppm)– Membran „verstopft“, Reaktion bricht Membran „verstopft“, Reaktion bricht

zusammenzusammen– Membran altert irreversibelMembran altert irreversibel

• Zukunftspotential: Zukunftspotential: hoch


5757

Brennstoffzellen Brennstoffzellen WirkungsgradeWirkungsgrade


5858

Summary BrennstoffzellenSummary Brennstoffzellen

• Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%)Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%)• Keine SchadstoffemissionenKeine Schadstoffemissionen• Durch Koppelung einzelner Stacks Durch Koppelung einzelner Stacks

kann man hohe Leistungen erzeugenkann man hohe Leistungen erzeugen• Mobiler Einsatz ist problemlos möglichMobiler Einsatz ist problemlos möglich• Für jedes Anwendungsszenario ist eine Für jedes Anwendungsszenario ist eine

Ausführung gegebenAusführung gegeben• Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN…Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN…


5959

WasserstoffverbrennungsmotorWasserstoffverbrennungsmotorenen

Besichtigung der„Clean Energy“ Ausstellung im Verkehrszentrumdes Dt.Museums,München


6060

WasserstoffverbrennungsmWasserstoffverbrennungsmotorotor

• Verbrennungsmotoren sind technisch Verbrennungsmotoren sind technisch ausgereiftausgereift

• ZuverlässigZuverlässig

• Antrieb gut integrierbar in bish. Antrieb gut integrierbar in bish. SystemeSysteme

• Niedrige SystemkostenNiedrige Systemkosten


6161


• Grundlegendes Prinzip: OttomotorGrundlegendes Prinzip: Ottomotor

• KnallgasreaktionKnallgasreaktion

• Erzeugt mechanische EnergieErzeugt mechanische Energie

• Optimierungsbedarf ist gegebenOptimierungsbedarf ist gegeben


6262


6363


• Äußere GemischbildungÄußere Gemischbildung•Quantitätsregelung bei Quantitätsregelung bei

Lambda 1Lambda 1

•Geringe Dichte des Geringe Dichte des Wasserstoffs – verdrängt Wasserstoffs – verdrängt viel Luft (71g/l – 780 g/l)viel Luft (71g/l – 780 g/l)

•Schlechter „Liefergrad“Schlechter „Liefergrad“

•Hohe NOx EmissionenHohe NOx Emissionen

•Geringe spez. LeistungGeringe spez. Leistung


6464

WasserstoffverbrennungsmWasserstoffverbrennungsmotorotor• innere Gemischbildunginnere Gemischbildung

• Luft wird angesaugt (plus ATL)Luft wird angesaugt (plus ATL)• Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar)Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar)• Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad

erhöht sicherhöht sich• Variables Luftverhältniß (LambdaVariables Luftverhältniß (Lambda>2)>2)• guter Wirkungsgrad (guter Wirkungsgrad (>50%)>50%)• Höhere spez. LeistungHöhere spez. Leistung• Keine NOxKeine NOx


6565

Innere / Tiefkalte Innere / Tiefkalte GemischbildungGemischbildung


6666

WasserstoffverbrennungsmWasserstoffverbrennungsmotorotor• Tiefkalte SaugrohreinblasungTiefkalte Saugrohreinblasung

•„„Quasi-Aufladung“Quasi-Aufladung“

•Dichte und Energieinhalt nehmen zuDichte und Energieinhalt nehmen zu

•Hohe Verdichtung, hoher WirkungsgradHohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad

•Weniger Aufwand als bei innerer GBWeniger Aufwand als bei innerer GB

•Hohe spezifische LeistungHohe spezifische Leistung


6767



6868


• Fazit:Fazit:• Guter WirkungsgradGuter Wirkungsgrad

• System einfach integrierbarSystem einfach integrierbar

• Hohe KostenHohe Kosten

• Weniger Leistung (mageres Weniger Leistung (mageres Gemisch)Gemisch)

• Frühzündungen möglichFrühzündungen möglich

• Schlechte Schlechte SchmiereigenschaftenSchmiereigenschaften

• Erheblicher Aufwand bei der Erheblicher Aufwand bei der LagerungLagerung

Deutsches Museum, Verkehrszentrum


6969

Vielen Dank für die Vielen Dank für die AufmerksamkeitAufmerksamkeit

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