Ergebnisse des Forscherteams Energie des 2 Campus 2016

Transkript

1 Wie ist es möglich das elektrolytische Verfahren Power-to-Gas hinsichtlich Nachhaltigkeit und Effizienz zu optimieren? Ergebnisse des Forscherteams Energie des 2 Campus 2016 WWF Deutschland Westfälische Wilhelms-Universität Münster

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Forschungsfrage und Autor/innen 3. Grundlagen 4. Messungen 5. Ergebnisse und Fazit 6. Anwendungen 7. Ausblick WWF/Arnold Morascher 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

3 1. Einleitung Erneuerbare Energien als Herausforderung Bruttostromerzeugung in Deutschland AG Energiebilanzen Öko-Institut e.v. 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

4 1. Einleitung Tages- und jahreszeitspezifische Schwankungen Smart Energy for Europe Platform (SEFEP) ggmbh 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

5 1. Einleitung Ausgleich durch verschiedene Speichertechnologien Ausspeicherzeit Ewald, S. et al. Speicherkapazität 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

6 2. Forschungsfrage & Autor/innen Wie ist es möglich das elektrolytische Verfahren Power-to-Gas hinsichtlich Nachhaltigkeit und Effizienz zu optimieren? WWF / A. Morascher 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie Maher Beru Julia Himmelsbach Sebastian Jeising Thorben Peping Till Semet Teamer: Simon Busch Juniormentorin: Sophie Geier Wiss. Mentorin: Pia Bäune

7 3. Grundlagen Power-to-Gas Erzeugung eines energiereichen Gases durch strombasierte Elektrolyse Erzeugung von Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ) aus Wasser (H 2 O) Elektrolyse Nutzung von Wasserstoff (H 2 ) Methanisierung (CH 4 ) Einspeicherung der Gase Leitfähige Polymere Verbrennung der Gase Stromrückgewinnung Brennstoffzelle *Pfeil = erforscht durch Forscherteam Energie 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

8 3. Grundlagen Elektrolyse Kathode: 4HH 2 OO ll + 4ee 2HH 2 gg + 4OOOO Anode: 4OOOO aaaa aaaa OO 2 gg + 2HH 2 OO ll + 4ee Sterner, M. et al. Gesamtreaktion: 2HH 2 OO ll 2HH 2 gg + OO 2 (gg) 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

9 3. Grundlagen Brennstoffzelle Anode: 2HH 2 (gg) 4HH + +4ee Kathode: OO 2 gg + 4HH + +4ee 2HH 2 OO(ll) Lingg, C. 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie Gesamtreaktion: 2HH 2 gg + OO 2 (gg) 2HH 2 OO(ll)

10 4. Messung Elektrolyse Konstante Spannung: 30V Elektrodenmaterial: Platin Vergleich verschiedener Elektrolyte Schwefelsäure; Kalilauge Konzentrationen: 5%; 3%; 1% Volumenmessung des entstandenen H 2 und O 2 Eigenes Foto 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

11 4. Messung Elektrolyse 60 Volumen H 2 (ml) % Schwefelsäure 3% Schwefelsäure 1% Schwefelsäure 5% Kalilauge 3% Kalilauge 1% Kalilauge Zeit (s) Eigene Grafik Schwefelsäure eignet sich am besten als Elektrolyt. 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

12 4. Messung H 2 Einspeicherung in Leitfähige Polymere Herstellung: Pyrrol (C 4 H 5 N); Methanol (CH 3 OH); Natriumperchlorat (NaClO 4 ) Dauer der Elektrolyse: 20 min; 30 min; 40 min Ergebnis: Polypyrrol Leitfähigkeitsmessung über Widerstand Eigenes Foto Widerstand liegt im Bereich von 1Ω bis 35Ω 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

13 4. Messung Brennstoffzelle Vergleich zerlegbarer Brennstoffzellen Standard: Membrandicke 0,4mm unter O 2 -Atmosphäre Variationen: Raumluft mit Luftschlitzplatte; Membrandicke 0,1mm; Erhöhung des Inneren Widerstandes Widerstandsabhängige Messung von Strom und Spannung Widerstände: Offen; 100Ω; 50Ω; 20Ω; 10Ω; 5Ω; 3Ω; 2Ω; 1Ω; 0,5Ω; 0,3Ω Eigenes Foto 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

14 4. Messung Brennstoffzelle 1 0,9 0,8 Spannung [V] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Stromstärke [A] 0,4mm; O 2 0,4mm; Raumluft 0,1mm; O 2 0,4mm; O 2 ; Innerer Widerstand Eigene Grafik 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

15 5. Ergebnisse und Fazit Elektrolyse: Feststellung: VV HH2 ~cc Effizienz wird durch das Elektrolyt entscheidend beeinflusst Betrieb mit Schwefelsäure ist effizienter! Leitfähige Polymere: Widerstand liegt im Bereich von 1 Ω bis 35 Ω Effizientere Speicherung von H 2 in Porenspeichern Brennstoffzelle: Feststellung: UU~RR Effizienz wird durch OO 2 nicht entscheidend beeinflusst Betrieb mit Raumluft ist nachhaltiger! 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

16 6. Anwendung Wasserstoff bietet vielfältige Nutzungsmöglichkeiten Sterner, M. et al. 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

17 7. Ausblick Nutzung H 2 Erzeugung: Optimierung der Elektrolyte Recycling von Industrieabfällen als Elektrolyte Einspeicherung: Entwicklung von Porenspeichern (100% Forschungsbedarf 1 ) Erschließung von Kavernenspeichern (45% Forschungsbedarf 1 ) Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur Rückgewinnung: Entwicklung nachhaltigerer Membranen Nachhaltige Entsorgung der Membranen 1 Forschungs- und Untersuchungsbedarf nach Sterner, M., S.429, entnommen aus. Abb Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

18 Quellen Quelle: AG Energiebilanzen, Stand: Dezember 2015, aufgerufen am Vortrag: Energie Herausforderungen bis 2050, Carina Zell-Ziegler, , Öko-Institut e.v. Vortrag: EEG 3.0 Konzept einer strukturellen EEG-Reform auf dem Weg zu einem neuen Marktdesign", Dr. Patrick Graichen Berlin, Januar 2015, im Internet zu finden unter EEG/EEG_3_0_Motivation-und-Eckpunkte_PPT.pdf (Folie11) im Rahmen der Smart Energy for Europe Platform (SEFEP) Ewald, S.; Koschany, F.; Schlereth, D.; Wolf, M. & Hinrichsen, O. Power-to-Gas Chemie in unserer Zeit, Wiley Online Library, 2015, 49, Sterner, Michael, and Ingo Stadler. Energiespeicher-Bedarf, Technologien, Integration. Springer- Verlag, 2014 Lingg, Christoph: Brennstoffzelle funktionsprinzip.png, Wikimedia Commons 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie

19 Kontakt & Dank MExLab Physik Westfälische Wilhelms-Universität Münster Pia Bäune: Corrensstraße 2b Münster Tel.: Fax: Wir bedanken uns herzlich für die Unterstützung! Medienpartner: 2 Campus: Ergebnisse des Forscherteams Energie