Wasserstoff als CO 2 -freier Energieträger Univ.-Doz. Dr. Manfred Klell HyCentA (Hydrogen Center Austria) Graz FH Joanneum 15.06.2011
Verkehr Folie 2
Schadstoffe Folie 3
Umweltschäden Golf von Mexiko 2010, Fukushima 2011 Folie 4
Fahrzeuge Folie 5
Energieangebot / Motorleistung 600 500 Porsche 911 Mercedes E VW Golf 530 PS 525 PS Engine power / HP 400 300 200 170 PS 270 PS 100 130 PS 44 PS 0 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Folie 6
Emissionen der idealen Verbrennung Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugt CO 2 und H 2 O, ca. 400 g CO 2 / kwh bei Kohle ca. 270 g CO 2 / kwh bei Öl ca. 200 g CO 2 / kwh bei Erdgas 0 g CO 2 / kwh bei Wasserstoff y y Cx H y + x + O2 x CO2 + H2O 4 2 g CO2/kWh, g H2O/kWh 450 400 350 300 250 200 150 100 400 250 120 230 130 g CO2/kWh g H2O/kWh 200 160 270 50 0 C C7H16 C3H8 CH4 H2 Folie 7
Folie 8 Die reale Verbrennung erzeugt außer Wasser und Kohlendioxid abhängig vom Luftverhältnis λ zusätzliche Schadstoffe: unvollständige Verbrennung mit lokalem Luftmangel erzeugt Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff als Basis für Ruß und Partikel, hohe Temperaturen erzeugten Stickoxide.... O N NO C H C CO O H CO N 2 y x 0,21 0,79 O 2 y x H C 2 O 2 N x NO Russ Russ m n H C CO 2 O H 2 CO 2 2 y x 2 2 x m n 2 2 + + + + + + + + + + + + + + + + n n n n n n n n λ λ Emissionen der realen Verbrennung
CO 2 -Emissionen Folie 9
Antropogener Treibhauseffekt CO2 Rodung 18% Chemikalien (Faktor bis 23900) 1% CO2 Verbrennung 59% N2O Düngung (Faktor 310) 8% CH4 Viehzucht (Faktor 21) 14% derzeit + 0,7 C bis 2100 + 2 C bis + 6 C Quelle: IPCC 2007 Folie 10
Wasserstoffwirtschaft Wasserstoff erlaubt einen nachhaltigen CO 2 -freien geschlossenen Energiekreislauf: Erzeugung aus Wasser durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen Speicherung als verdichtetes Gas, tiefkalt flüssig oder in Verbindungen Verbrennung in Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren oder Turbinen Folie 11
Wasserstoffwirtschaft Erzeugung von Wasserstoff: Die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse und Strom aus Wasser, Wind oder Sonne erlaubt einen nachhaltigen emissionsfreien Energiekreislauf. Folie 12
Wasserstoffwirtschaft Speicherung von Wasserstoff: Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff erfolgt als verdichtetes Gas, tiefkalt verflüssigt oder in physikalischen und chemischen Verbindungen. Folie 13
Wasserstoffwirtschaft Anwendung von Wasserstoff: Wasserstoff bildet mit Luft leicht entzündliche Gemische und kann als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Turbinen eingesetzt werden. Folie 14
H(ydrogenium) Wasserstoff (Hydrogenium) ist das häufigste Element im Universum, mehr als 90 % aller Atome sind Wasserstoffatome. Wasserstoff ist Hauptbestandteil und Energiequelle von Sternen, er ist das einfachste Atom bestehend aus einem Proton und einem Elektron, atomarer Wasserstoff ist sehr reaktiv und verbindet sich mit sich selbst zum Molekül H 2 und mit fast allen anderen Elementen zu einer Vielzahl anorganischer oder organischer Verbindungen (Hydride). Wasserstoff ist bei Normalbedingungen ein farbloses, geruchloses Gas ohne toxische Effekte, er hat die geringste Dichte aller Gase, eine hoche Diffusionsneigung und hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrige Schmelz- und Siedetemperatur, bildet mit Luft in einem weiten Mischungsbereich zündfähige Gemische mit hoher Flammengeschwindigkeit und hoher Verbrennungstemperatur. Folie 15
Hydride Anorganische Hydride (z. B. H 2 O, NH 3 ) und organische Hydride wie Kohlenwasser-stoffe (z. B. Methan CH 4, Ethan C 2 H 6, Benzen C 6 H 6 ), Alkohole (z. B. Methanol CH 3 OH, Ethanol C 2 H 5 OH), Säuren, Fette, Kohlenhydrate (z. B. Glukose C 6 H 12 O 6 ) und Proteine spielen eine wesentliche Rolle in unserem Leben. C 5 H 12 gesättigtes Alkan C 5 H 10 ungesättigtes Alken Protein DNA Folie 16
Wasserstofferzeugung Reformierung aus Erdgas oder Biogas Vergasung fossiler oder biogener Rohstoffe Elektrolyse mit Strom H 2 O H 2 + ½ O 2 Δ R H = 285 kj/mol + Anode + 2e 2e Kathode ½O 2 H 2 2 OH 2e H 2 O 2e 2 OH H 2 O + ½ O 2 + 2 e 2 H 2 O + 2 e H 2 + 2 OH Folie 17
Hochdruckspeicherung Hochverdichteter Wasserstoff: Druckspeicherung bei Umgebungstemperatur bei 200 700 bar Verdichtung erfordert 10-15 % des Energieinhalts H u Sicherheitsfragen der Drucktanks gravimetrische Energiedichte: rein: 33,3 kwh/kg System 700 bar: 1 kg H 2 / 20 kg tank (5 mass%), 1,7 kwh/kg volumetrische Energiedichte: rein: 1,3 kwh/dm³ System 700 bar: 0,02 kg H 2 /dm³, 0,7 kwh/dm³ Folie 18
Flüssigspeicherung Flüssigwasserstoff: tiefkalte Lagerung bei Umgebungsdruck und -253 C Verflüssigung benötigt 20-30 % des Energieinhalts H u komplexes offenes Speichersystem boil off Verluste (1% bis 3% pro Tag) gravimetrische Energiedichte: rein: 33,3 kwh/kg System: 1 kg H 2 / 18 kg tank (7 mass%), 2 kwh/kg volumetrische Energiedichte: rein: 2,3 kwh/dm³ System: 0,04 kg H 2 /dm³, 1,2 kwh/dm³ Folie 19
Speicherung in Verbindungen Physikalische Adsorption: H 2 Moleküle werden an die Oberfläche gebunden, z. B. von Kohlenstoff (Nanotubes, Mmicrospheres) Chemische Absorption: H 2 Atome werden in das Atomgitter von Metallen eingebaut (Mg, Al, Na, Li) oder in Flüssigkeiten (Alkohol, Benzin, Öl, NH 3 ) hohe theoretische Speicherdichten praktisch schwierige Bedingungen für das Be- und Entladen (hohe oder tiefe Temperaturen, hohe Drücke, lange Zeit) Im Labormaßstab Folie 20
Gravimetrische Energiedichte Vergleich gravimetrischer Energiedichten 1kg Benzin 0,36 kg H2, 1 kg H2 = 2,77 kg Benzin Energy Density 20 16 12 8 4 1.6 33.3 33.3 1.8 33.3 2 0.4 0.15 gravimetric kwh/kg pure gravimetric kwh/kg system 3.8 13.9 13.9 7.4 8 11.5 0 GH2 (350 bar) GH2 (700 bar) LH2 (2 bar) Solid Storage MH Li Ion Battery CNG (200 bar) LNG Gasoline Folie 21
Volumetrische Energiedichte Vergleich volumetrischer Energiedichten 1 l (dm³) Benzin = 3,84 dm³ LH2 = 6,95 dm³ GH2 bei 700 bar 10 Energy Density 8 6 4 2 0 0.8 0.5 GH2 (350 bar) volumetric kwh/l pure volumetric kwh/l system 1.3 0.9 GH2 (700 bar) 1.2 2.2 LH2 (2 bar) 0.8 Solid Storage MH 0.27 Li Ion Battery 2.2 1.5 CNG (200 bar) 3.3 5.8 LNG 7 8.8 Gasoline Folie 22
Geschichte VKM 1807 Francois de Rivaz 1860 Etienne Lenoir 1938 Rudolf Erren Folie 23
Multi-flex-fuel Fahrzeug HYCAR 1 kann mit Benzin, Wasserstoff, Erdgas und variablen Gemischen aus Wasserstoff und Erdgas betrieben werden, siehe SAE paper 2009-01-1420 und IJVD 45 2 2010 Folie 24
Multi-flex-fuel Fahrzeug Potenzial: Reduktion der Emissionen an CO 2, CO, CH Magerbetrieb mit höherem Wirkungsgrad Verbesserung der Reichweite Synergien bei Komponenten, Infrastruktur und Kundenakzeptanz Prototyp von Modell VKM Hubvolumen Leistung Benzin / Wasserstoff Tank H2 Reichweite H2 TU Graz, HyCentA Mercedes E, CNG Benzin, Erdgas und Wasserstoff 1796 cm³ 120 / 70 kw 2 kg / 350 bar 125 km Folie 25
Früh- und Rückzündung Aufgrund der weiten Zündgrenzen und der hohen Flammengeschwindigkeit neigt Wasserstoffverbrennung zu Frühzündungen (Selbstzündung des Gemischs bevor es von der Zündkerze nahe dem oberen Totpunkt gezündet wird) und Rückzündungen (Frühzündung während das Einlassventil noch offen ist) P_Zyl Cylinder [bar] pressure [bar] 120 100 80 60 40 20 IC 0-225 -180-135 -90-45 0 45 90 135 Kurbelwinkel Crank Angle [Grad] [ ] p_cyl ROHR 160 120 80 40 0 ROHR dqh [kj/ m³] [kj/ m³] Folie 26
Luftverhältnis Um Früh- und Rückzündungen zu vermeiden, werden Wasserstoffmotoren meist mit Luftüberschuss betrieben (magerer Betrieb bei Luftverhältnissen über 1,6). eff. Mitteldruck [bar] 12 10 8 6 4 2 0 1.6 2.5 1.6 2.4 1.7 1.7 1.8 1.9 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl [m in -1 ] 1.8 2.0 2.1 2.2 1.9 Pe [kw] 2.1 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 Folie 27
Volllastverhalten Infolge des niedrigeren Gemischheizwertes und des höheren Luftverhältnisses im Magerbetrieb erreicht ein Motor mit Wasserstoff eine um etwa 40 % niedrigere Volllast als im Benzinbetrieb. 240 120 220 110 200 100 Drehmoment [Nm] 180 160 140 120 100 80 90 80 70 60 50 40 Leistung [kw] 60 30 40 20 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl [min-1] Folie 28
Multi-flex-fuel Fahrzeug Adaptionen Motor: Komponenten (Ansaugsystem, Injektoren) Bedatung ECUs Drehmomentvorgabe Regulierung des Luftpfades (Luftmenge, Luftverhältnis) Zündzeitpunkt Folie 29
Multi-flex-fuel Fahrzeug Adaptionen Fahrzeug: EG 79/2009 Gassystem (350 bar) Gasdichte Kapselung electronisches Gas- Sicherheitssystem ELGASS (Gasdetektion, Dichtheitsüberwachung, Gasmasse, Gasverbrauch, Monitor) Folie 30
Geschichte - Brennstoffzelle 1838 entdeckte Friedrich Schönbein den Polarisationseffekt, die elektrochemische Erzeugung von Elektrizität durch Wasserstoff und Sauerstoff in einem Elektrolyten. 1839 erfand William Grove basierend darauf die Brennstoffzelle. Quelle: Grove 1839 Folie 31
Prinzip Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff liefert Wasser und Energie H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) Δ R H = 286 kj/mol Anode ( ): H 2 (g) + 2 OH (aq) 2 H 2 O (l) + 2 e Oxidation (Abgabe von Elektronen) Anode 2e 2e Kathode + Kathode (+): H 2 O (l) + ½ O 2 (g) + 2 e 2 OH (aq) Reduktion (Aufnahme von Elektronen) 2 OH Infolge der niedrigen Spannung müssen viele Zellen zu einem Stack kombiniert werden. H 2 H 2 O ½O 2 E 0 = ΔRH z F 0 m 3 286 10 J/mol = 2 96485As/mol = 1,48V H 2 + 2 OH 2 H 2 O + 2 e H 2 O + ½ O 2 + 2 e 2 OH Folie 32
Wirkungsgrad Die Umwandlung von Wärme in Arbeit ist durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, die elektrochemische Umwandlung durch die Entropiezunahme. η C T = 1 T u o 100 80 η th η th ΔG = Δ H =1 TΔ S Wirkungsgrad in % 60 40 20 ηc (Tu = 323.15 K) ηth der Brennstoffzelle 0 273 523 773 1023 1273 1523 1773 2023 Temperatur in Kelvin Folie 33
Portable Anwendungen Energieversorgung für Laborgeräte und Hilfsaggregate (APU) Folie 34
Stationäre Anwendungen Stromversorgung: Kraft-Wärme-Kupplung im Haushalt Großkraftwerke Folie 35
Mobile Anwendungen Folie 36
Geschichte Die ersten Fahrzeuge mit Brennstoffzelle wurden 1966 von General Motors und 1970 vom Österreicher Karl Kordesch präsentiert. Folie 37
Honda FCX Green Car of the Year 2009 Brennstoffzelle 100 kw Elektromotor 100 kw 160 km/h 4 kg Wasserstoff bei 350 bar Reichweite 470 km Folie 38
Hydrogen Center Austria Erstes österreichisches Forschungszentrum für Wasserstoff mit Abgabestellen für LH2 und CGH2, eröffnet Oktober 2005 Folie 39
Aktivitäten HyCentA Prüftätigkeit mit kundenspezifischen Aufbauten und elektronischer Prozessregelung Thermodynamische Analyse von Prozessen und Systemen Sicherheitsfragen und Standards Wasserstoff in Grundlagenforschung, industrieller Forschung und Lehre Öffentlichkeitsarbeit wie Kongresse und Publikationen Folie 40
www.hycenta.at Folie 41