Wasserstoffspeicherung Hauptseminar zum Thema Energie Martin Mainitz 19. Juli 2011
Überblick Grundlagen Motivation Wasserstofferzeugung Wasserstoffspeicherung Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 2 / 28
Wasserstoff bei der Reaktion Die Columbia beim Erstflug Quelle: de.wikipedia.org/wiki/space Shuttle Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 3 / 28
Eigenschaften des Wasserstoffs leichtestes und kleinstes Element hochreaktiv atomarer/molekularer Wasserstoff ist Energieträger, muss erzeugt werden Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 4 / 28
Energiedichten Energiedichten von Energieträgern Quelle: de.wikipedia.org/wiki/energiedichte Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 5 / 28
Motivation Wasserstoffwirtschaft: Verringerung des ökologischen Fingerabdrucks fossile Energiequellen vs. Wasserstoff als Energieträger Machbarkeit: H-Atome haben größten Anteil an Reaktionsenthalpie von Kohlenwasserstoffen Methan, CH 4, verbrennt mit 153 kj mol Anteil von Wasserstoff daran: 120 kj mol Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 6 / 28
Wasserstofferzeugung
Wasserstofferzeugung I Elektrolyse von Wasser Herstellung von Wasserstoff heute hauptsächlich aus Erdgas 71 % der Erdoberfläche von Wasser bedeckt Erzeugung mittels regenerativer Energiequellen an Orten maximaler Ausbeute Solarparks (z.b. in Afrika) Wasserkraft (z.b. in Norwegen) Windkraft (z.b. Off-Shore-Anlagen) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 8 / 28
Wasserstofferzeugung II Schema der Elektrolyse Quelle: de.wikipedia.org/wiki/elektrolyse) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 9 / 28
Wasserstofferzeugung III 8 H 2 O 4 H 3 O + + 4 OH (Autoprotolyse) 4 H 3 O + + 4 e 2 H 2 + 4 H 2 O (Reduktion) 4 OH 4 e O 2 + 2 H 2 O (Oxidation) Insgesamt ergibt sich damit 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 10 / 28
Wasserstoffspeicherung
Methoden der Wasserstoffspeicherung Drucktanks Flüssigwasserstofftanks Adsorptionsprozesse Physisorption Chemisorption Methanisierung Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 12 / 28
Drucktanks I Diffusionsraten verschiedener Materialien Quelle: Makarov et al., II. Int. Conf. Hydrogen Storage Technologies, Russia, 2009 Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 13 / 28
Drucktanks II Quelle: Eichlseder, Klell, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, Springer, 2008 Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 14 / 28
Flüssigwasserstofftanks I Schema Linde-Kryotank Quelle: Linde Gas Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 15 / 28
Flüssigwasserstofftanks II Kryotank im Hydrogen Center Austria Quelle: Linde Gas Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 16 / 28
Exkurs 1: Der Sicherheitsaspekt
Der Sicherheitsaspekt I Das Hindenburg-Unglück Quelle: de.wikipedia.org/wiki/lz_129 Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 18 / 28
Der Sicherheitsaspekt II Brandtest, H 2 (li) und Benzin (re), t=0, 3, 60, 90, 140, 160 s Quelle: Eichlseder, Klell, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, Springer, 2008 Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 19 / 28
Speichermöglichkeiten ohne Diffusionsproblem Adsorptionsprozesse Physisorption (z.b. Speicherung in C-Nanotubes) Chemisorption (z.b. Metallhydridspeicher) Methanisierung (Sabatier-Prozess) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 20 / 28
Struktur eines komplexen Metallhydrids Quelle: Graetz, Chem. Soc. Rev., 38, S.77, 2009) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 21 / 28
Exkurs 2: Brennstoffzellen
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle Quelle: de.wikipedia.org/wiki/pemfc) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 23 / 28
Metallhydride vs. Akkumulatoren Quelle: Graetz, Chem. Soc. Rev., 38, S.74, 2009) Annahmen: Brennstoffzelle arbeitet bei 50% Effektivität Effektivität reduziert auf 25% (Ausgleich für Gewicht der Zelle) Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 24 / 28
Einordnung der Energiedichte von Metallhydriden Quelle: de.wikipedia.org/wiki/energiedichte Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 25 / 28
Mobile Anwendung: U-Boot der Klasse 212 A Quelle: de.wikipedia.org/wiki/u-boot-klasse_212_a Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 26 / 28
Methanisierung Eigentlich kein Verfahren zur Wasserstoffspeicherung CO 2 + 4 H 2 CH 4 + 2 H 2 O (Sabatier-Prozess) Methan kann einfach gespeichert werden Nutzung vorhandener Infrastruktur Mögliche Folgeanwendung: Direktmethanolbrennstoffzellen Zusätzlicher Energieverlust bei Umwandlung (60% Wirkungsgrad) Schlechter Brennwert von Methan bei Verbrennung Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 27 / 28
Zusammenfassung Hochdrucktanks: Vorteile: leicht, relativ günstig, gut für kleine Volumina Nachteile: Diffusion/Versprödung möglich, geringe Energiedichte, keine Formtanks möglich Flüssigwasserstofftanks: Vorteile: recht hohe Energiedichte, gut für große Volumina Nachteile: Diffusion/Versprödung möglich, teuer, schwer, keine Formtanks möglich Physisorptionsspeicher (C-Nanotubes): Vorteile: keine Diffusion, mögliche hohe Energiedichten bei geringem Gewicht Nachteile: geringe Arbeitstemperatur, Entnahme schwer Metallhydridspeicher: Vorteile: keine Diffusion Nachteile: geringe Energiedichten, hohes Gewicht, hohe Kosten Martin Mainitz Wasserstoffspeicherung 19. Juli 2011 28 / 28