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Wasserstoff

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?

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Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. "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

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

  5. 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

  6. Was ist Wasserstoff? • Bestandteile: • Einfach negativ geladener Kern • Ein positiv geladenes Elektron • Siedepunkt: -252,8°C (20,4K) • Schmelzpunkt: -259.2°C • Dichte: 0.0899 Kg/m3 (Normaldruck) • Dichte: 71 kg/m3 (flüssig) • 15 mal leichter als Luft • Hohe Energiedichte (im flüssigen Zustand) Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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

  8. 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

  9. 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 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  10. Warum Wasserstoff? Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  11. Warum Wasserstoff? • Als alternativer Energieträger aufgrund der Rohstoffknappheit Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  12. Warum Wasserstoff? Tendenz der CO2 Produktion im Moment: stark steigend! Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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

  14. 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 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  15. Nachteile von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  16. 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

  17. Die Herstellung von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  18. Die Herstellung von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  19. 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

  20. Die Herstellung von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  21. Wasserstoff durch Elektrolyse: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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

  23. Die Herstellung von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  24. 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 Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  25. Wasserstoff über Dampfreformierung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  26. Wasserstoff über Dampfreformierung Synthesegas „Wasserstoff-Shift“ Reaktion Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  27. Wasserstoff über Dampfreformierung • Biomasse frei verfügbar (Müllrecycling) • Von Wetter und Ort unabhängig • Weiterverwendung von CO2 möglich • Wirkungsgrad ~ 80% • Herstellung von Wasserstoff ohne Strom Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  28. Die Herstellung von Wasserstoff: Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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

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

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

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

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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

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

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

  39. 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 Speicherung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  40. 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

  41. 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

  42. Speicherung Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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

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

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

  46. 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“ Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  47. Anwendungsspektrum BMW 7 hydrogen Brennstoffzelle Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  48. Brennstoffzellen Erdgas Methanol CO2 Reformer Wärme + Wasser + elektrische Energie Brennstoffzelle Wasserstoff Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  49. Brennstoffzellen Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

  50. Brennstoffzellen Das Comeback Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

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