Wasserstofferzeugung und –speicherung

Einblicke und Perspektiven für Hamburg

Peter Burger

Universität Hamburg

Handelskammer 18.10.07

burger@chemie.uni-hamburg.de Unterlagen:www.chemie.uni-hamburg.de/ac/burger

Wer bin ich?

1982-1991: Studium & Promotion (Katalyse) in anorg. Chemie Universität Konstanz

1991-1993: Postdoktorand (Alkanfunktionalisierung) UC Berkeley, USA

1993-2002: Oberassistent (H2-Komplexe, partielle Methanoxidation) Universität Zürich

2002: Habilitation und Venia Legendi an der Universität Zürich und Annahme des Rufes an die Universität Hamburg

H2 - Anknüpfung?G ra d u a te S c h o o l

F u tu re E n e rg y R e s o u rc e s

A p p lic a tio n D ra ft S e p te m b e r 2 0 0 6

C o o rd in a to r P . B u rg e r

H a m b u rg R e s e a rc h P la tfo rm

U n ive rs ity o f H a m b u rg & T e c h n ic a l U n ive rs ity o f H a m b u rg -H a rb u rg & R e p o w e r A G & H a m b u rg In s titu te o f In te rn a tio n a l E c o n o m ic s (H W W I) & F e d e ra l R e s e a rc h C e n tre fo r F o re s try a n d F o re s t P ro d u c ts & H a m b u rg U n ive rs ity o f A p p lie d S c ie n c e s (H A W )

G e o s c ie n c eB io lo g y

E c o n o m y

C h e m is try

F u tu reE n e rg y

Antragsskizze Exzellenzinitiative Sept. 06

12.1.2007

Nomen est Omen!

H2@HH

Wasserstoff gehört nach Hamburg!

Woher? Wohin?

Erzeugung Energie-Speicherung & Trägerkein Primärenergieträger

H2: Unde venis – quo vadis

Woher? Wohin?

Erzeugung Energie-Speicherung & -Trägerkein Primärenergieträger

H2: Unde venis – quo vadis

„Henne-Ei“ Problem ?

  

H2 Übersicht: Unde venis – quo vadis

Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband„Woher kommt die Energie für die Wasserstofferzeugung - Status und Alternativen“.

http://www.hyweb.de/Wissen/docs2006/DWV_Woher-H2_NOV2006.pdf

Erdgas - Wasserstofferzeugung

DampfreformierungsanlageBrunsbüttel

48% H2 weltweitaus Erdgas, Methan (CH4)

1) CH4 + H2O CO + 3 H2

sehr hoher Energieaufwand!2) CO + H2O CO2 + H2

Vorteil: zentrale Erzeugung denkbare CO2-Sequestrierung (CSS)

Gajewski, Kather, Winkler

CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2

Netto:

KatalyseforschungProsenc, Burger, Heck, Weller

Mikroreformer

H2 aus Biomasse

BiotechnologieStegmann, Scherer

neue mikrobiologische SystemeStegmann, Antranikian, Liese, Streit

Thermochemische ErzeugungKather, Willner

H2 aus Biomasse: Ackerflächen ?

Aktuelle Studie: Ludwig Bölkow Systemtechnik GmbH vom 9.10.07

H2: Wind/PV

Ert

rag

[GJ/

ha]

Methan, Biodiesel etc.

http://www.hyweb.de/Wissen/docs2007/LBST-Analysis_Biofuels-vs-H2-wind-PV-yield_09OCT2007.pdf

„Produziert man Wasserstoff aus Photovoltaik oder Wind auf einem Acker,

anstatt auf der gleichen Fläche Biokraftstoffe zu produzieren, so erhält man 10-mal mehr Kraftstoff....“

„I’m not sure what the winner will be that is able to make energy without addingextra CO2 to the atmosphere.” A failing of energy R&D for the last 30 years inthe United States has been that it has been treated as an engineering problem,

with a little ‘r’ component and big ‘D.’ There needs to be an ‘R’ bigger than the ‘D.’

There are whole new areas of science and engineering that need to be discovered to solve this problem.”

MIT, Department of Chemistry

Science 315, 2007, 789 PNAS 103, 2006, 15729

Solare Wasserstofferzeugung

Burger, Heck, Luinstra, Prosenc, Weller

Artifizielle Photosynthese (Katalysatoren)

H2O + Licht H2 + ½ O2

Photosynthese

Photobiologische H2-Erzeugung Streit

ca. 1 Milliarde Jahre Entwicklungszeit

WasserstofferzeugungH2O + Strom H2 + ½ O2

Elektrolyse

PEM Wasser-Elektrolyseur

MembraneNunes, Luinstra

J. Müller, Heck, Prosenc, Burger

Edelmetall-reduzierte/-freie Elektroden

Lolland, Dänemark

WELCOME TO HYDROGEN COMMUNITY LOLLAND

FC‘s

ElektrolyseurH2

Wärme

Speicherung!!

Strom + H2O + NaCl ½ H2 + ½ Cl2 + NaOH

Fa. Dow, StadeH2 Pipeline HH

Chlor-Alkali-Elektrolyse

Tieftemperaturmetallydrid: FeTiH2..

Mitteltemperaturmetallydrid: NaAlH4

Hochtemperaturmetallydrid: MgH2

Flüssiger Wasserstoff: H2

Gasförmiger H2

700 bar

Wasserstoffspeicherung

Gra

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MJ/

kg]

enormer Forschungsbedarf – neue Materialien

Volumetrische Energiedichte [MJ/]

Diesel

Wasserstoffspeicher Metallhydride

SystemintegrationHapke, Struckmeier

Neue MetallhydrideDornheim, Bormann

ModellierungDornheim, Kabelac, Klassen

Absorption

Ca(BH4)2/MgH2

Desorption

Wasserstoffspeicher „neue Materialien“

Carbon NanotubesWeller, Mews, Bormann, Keil

„Mesoporöse Materialien“Fröba

Luinstra, BurgerOrganische Polymere

Gasspeicher

Metal-Organic Frameworks, MOFSFröba, Burger

nicht nur H2: CO2

Bedeutung: z.B. CCS-Verfahren

Was kann die Wissenschaft sonst noch ?

Naturwissenschaftler sind die besseren Manager.

The Boston Consulting Group Anzeige in der „Zeit“ am 4.10.07, S. 77

Schmeichelhaft aber eindimen-

sionale Sichtweise!

Was kann die Wissenschaft sonst noch ?

The Boston Consulting Group Anzeige in der „Zeit“ am 4.10.07, S. 77

„Manhattan- oder Apollo-Projekt des 21. Jahrhunderts“ zukünftige CO2-neutrale Energieressourcen

KernfusionIter ??Iter ??

Managerbedarf ?

„Henne-Ei“ Problem ?

Energieversorgung oder -verbrauch?

WeltenergieverbrauchP

rmäre

nerg

ie [

EJ/

a]

2000 2010 2020 2030 2040 2050

Quelle: WGBU/Shell 2005

Jahr

1 EJ (6 sec Sonnenergie = 277,778 Mrd. kWh

Biomasse

Gas

Solarstrom

2100

Anstieg: linear

Biomasse

Solarstrom

GDP

Verbrauch

1949 1980 1999

nicht allein Bruttosozialprodukt

USA: 1949-1999

Ė = N•(BSP/N)•(Ė/BSP)

N: Weltbevölkerung, BSP/N: Bruttosozialprodukt/Kopf Ė/BSP: Energieintensität Quelle: PNAS 103, 2006, 15729

Beispiel: Dow Chemical Company

Massives Delta!! Faktor 2!

Linearer AnstiegNaturgesetz?!!Nicht-Linearität!!

WissenschaftBelletristik

WeltenergieverbrauchP

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nerg

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EJ/

a]

2000 2010 2020 2030 2040 2050

Jahr2100

Beitrag der Hamburger Forschungzur Lösung des Problems

Grundlagenforschung

AngewandteForschung

Produkt-entwicklung

Nach-haltigkeit

Hamburg – The Energyzing City"

Stiftungskolleg

Zusammenschluss: 5 Hochschulen und 2 außer- universitäre Einrichtungen (LOI)

Forschung und Lehre: Energiethemen "Hamburger Exzellenzinitiative"

Promotionsstipendien: 50-60 pro Jahr weltweite Rekrutierung der Talente

Teilnehmer: 80 Hamburger Arbeitsgruppen - Architektur/Stadtplanung - Biologie, Chemie, Physik - Ingenieurwissenschaften - BWL/VWL

Finanzierung: PPP-Modell - Industrie/Sponsoren & Hansestadt jeweils 1/3 - Einrichtungen und Wissenschaftler jeweils 1/6

Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City

1. Sponsor: Fa. Repower 50`000 €

Ziele

- weltweit führende Absolventen

- Start-Up Unternehmen (Satelliten)

@ - Hamburg an der Spitze des wichtig- sten Themas des 21. Jahrhunderts

Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City"

Wind Solar Bio/Org.-Masse

Energieeffizienz/-einsparung

Energieequellen

Energiewirtschaft

Prim

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[EJ/a

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Year2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100

Prim

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Year2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100

Hochleistungs-batterietechnologie Wasserstoffspeicher

Wasser-Elektrolyse/Brennstoffzelle

Energiespeicherung

Neue Ideen für neue Märkte