wasserstoff als co2-freier energieträger · sternen, er ist das einfachste atom bestehend aus...
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Wasserstoff als CO2-freier Energieträger
Univ.-Doz. Dr. Manfred KlellHyCentA (Hydrogen Center Austria) Graz
FH Joanneum 15.06.2011
Folie 6
Eng
ine
pow
er /
HP
0
100
200
300
400
500
600
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Porsche 911Mercedes EVW Golf
170 PS
130 PS44 PS
270 PS
530 PS525 PS
Energieangebot / Motorleistung
Folie 7
Emissionen der idealen VerbrennungDie Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugt CO2 und H2O,
ca. 400 g CO2 / kWh bei Kohleca. 270 g CO2 / kWh bei Ölca. 200 g CO2 / kWh bei Erdgas
0 g CO2 / kWh bei Wasserstoff
OH2yCOxO
4yxHC 222yx +→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
C C7H16 C3H8 CH4 H2
g CO
2/kW
h , g
H2O
/kW
h
g CO2/kWhg H2O/kWh
400
250
120
230
130
200
160
270
Folie 8
Die reale Verbrennung erzeugt außer Wasser und Kohlendioxid abhängig vom Luftverhältnis λzusätzliche Schadstoffe:
unvollständige Verbrennung mit lokalem Luftmangel erzeugt Kohlenmonoxid,Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff als Basis für Ruß und Partikel, hohe Temperaturen erzeugten Stickoxide.
....ON
NOC
HCCO
OHCO
N 2yx
21,079,0 O
2yx HC
2O2N
xNO
RussRuss
mnHCCO
2OH2CO
22yx
22
x
mn
22
+++
++++
+++
++
→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅+
nn
nn
nn
nn
λλ
Emissionen der realen Verbrennung
Folie 10
Antropogener Treibhauseffekt
derzeit + 0,7 °C bis 2100 + 2 °C bis + 6 °C
CO2 Verbrennung59%
Chemikalien (Faktor bis 23900)
1%
N2O Düngung (Faktor 310)
8%
CH4 Viehzucht (Faktor 21)
14%
CO2 Rodung18%
Quelle: IPCC 2007
Folie 11
Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff erlaubt einen nachhaltigen CO2-freien geschlossenen Energiekreislauf:Erzeugung aus Wasser durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren QuellenSpeicherung als verdichtetes Gas, tiefkalt flüssig oder in VerbindungenVerbrennung in Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren oder Turbinen
Folie 12
Erzeugung von Wasserstoff:Die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse und Strom aus Wasser, Wind
oder Sonne erlaubt einen nachhaltigen emissionsfreien Energiekreislauf.
Wasserstoffwirtschaft
Folie 13
Speicherung von Wasserstoff:Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff erfolgt als verdichtetes Gas, tiefkalt
verflüssigt oder in physikalischen und chemischen Verbindungen.
Wasserstoffwirtschaft
Folie 14
Anwendung von Wasserstoff:Wasserstoff bildet mit Luft leicht entzündliche Gemische und kann als Kraftstoff in
Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Turbinen eingesetzt werden.
Wasserstoffwirtschaft
Folie 15
H(ydrogenium)
Wasserstoff (Hydrogenium) ist das häufigste Element im Universum, mehr als 90 % allerAtome 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 H2und mit fast allen anderen Elementen zu einer Vielzahl anorganischer oder organischerVerbindungen (Hydride).
Wasserstoff ist bei Normalbedingungen ein farbloses, geruchloses Gas ohne toxischeEffekte, er hat die geringste Dichte aller Gase, eine hoche Diffusionsneigung und hoheWärmeleitfähigkeit, niedrige Schmelz- und Siedetemperatur, bildet mit Luft in einemweiten Mischungsbereich zündfähige Gemische mit hoher Flammengeschwindigkeit und hoher Verbrennungstemperatur.
Folie 16
Hydride
DNAProtein
C5H12 gesättigtes Alkan C5H10 ungesättigtes Alken
Anorganische Hydride (z. B. H2O, NH3) und organische Hydride wie Kohlenwasser-stoffe (z. B. Methan CH4, Ethan C2H6, Benzen C6H6), Alkohole (z. B. Methanol CH3OH, Ethanol C2H5OH), Säuren, Fette, Kohlenhydrate (z. B. Glukose C6H12O6) und Proteine spielen eine wesentliche Rolle in unserem Leben.
Folie 17
• Reformierung aus Erdgasoder Biogas
• Vergasung fossiler oder biogener Rohstoffe• Elektrolyse mit Strom
H2O → H2 + ½ O2
ΔRH = 285 kJ/mol
Wasserstofferzeugung
‐‐
‐ ‐
‐‐
Anode + Kathode ‐
½ O2 H2
2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−
2e‐
2 OH ‐
2 OH− → H2O + ½ O2 + 2 e−
H2O
2e‐
2e‐2e‐
+ ‐
‐‐‐‐
‐‐ ‐‐
‐‐‐‐
Anode + Kathode ‐
½ O2 H2
2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−
2e‐
2 OH ‐
2 OH− → H2O + ½ O2 + 2 e−
H2O
2e‐
2e‐2e‐
+ ‐
Folie 18
Hochverdichteter Wasserstoff:Druckspeicherung bei Umgebungstemperatur bei 200 – 700 barVerdichtung erfordert 10 - 15 % des Energieinhalts Hu
Sicherheitsfragen der Drucktanksgravimetrische Energiedichte: rein: 33,3 kWh/kg
System 700 bar: 1 kg H2/ 20 kg tank (5 mass%), 1,7 kWh/kgvolumetrische Energiedichte: rein: 1,3 kWh/dm³
System 700 bar: 0,02 kg H2/dm³, 0,7 kWh/dm³
Hochdruckspeicherung
Folie 19
Flüssigwasserstoff: tiefkalte Lagerung bei Umgebungsdruck und -253°C Verflüssigung benötigt 20 - 30 % des Energieinhalts Hu
komplexes offenes Speichersystem – boil off Verluste (1% bis 3% pro Tag)gravimetrische Energiedichte: rein: 33,3 kWh/kg
System: 1 kg H2/ 18 kg tank (7 mass%), 2 kWh/kgvolumetrische Energiedichte: rein: 2,3 kWh/dm³
System: 0,04 kg H2/dm³, 1,2 kWh/dm³
Flüssigspeicherung
Folie 20
Speicherung in Verbindungen
Physikalische Adsorption:H2 Moleküle werden an die Oberfläche gebunden,z. B. von Kohlenstoff (Nanotubes, Mmicrospheres)
Chemische Absorption:H2 Atome werden in das Atomgitter von Metallen eingebaut (Mg, Al, Na, Li) oder in Flüssigkeiten (Alkohol, Benzin, Öl, NH3)
hohe theoretische Speicherdichtenpraktisch schwierige Bedingungen für das Be- und Entladen(hohe oder tiefe Temperaturen, hohe Drücke, lange Zeit)
Im Labormaßstab
Folie 21
Vergleich gravimetrischer Energiedichten
1kg Benzin ≈ 0,36 kg H2, 1 kg H2 = 2,77 kg Benzin
0
4
8
12
16
20
GH2 (350 bar)
GH2 (700 bar)
LH2 (2 bar) SolidStorage MH
Li IonBattery
CNG (200 bar)
LNG Gasoline
Ener
gy D
ensi
ty
gravimetric kWh/kg puregravimetric kWh/kg system
1.6
33.3
33.3
33.3
1.8 2
13.9
0.4
0.15 3.
813
.9
7.4 8
11.5
Gravimetrische Energiedichte
Folie 22
Vergleich volumetrischer Energiedichten
1 l (dm³) Benzin = 3,84 dm³ LH2 = 6,95 dm³ GH2 bei 700 bar
Volumetrische Energiedichte
0
2
4
6
8
10
GH2 (350 bar)
GH2 (700 bar)
LH2 (2 bar) SolidStorage MH
Li IonBattery
CNG (200 bar)
LNG Gasoline
Ener
gy D
ensi
ty
volumetric kWh/l purevolumetric kWh/l system
0.5
0.8
0.9 1.2
2.2
2.2
0.8
0.27
1.5 3.
35.
8
78.
8
1.3
Folie 24
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
Multi-flex-fuel Fahrzeug
Folie 25
Potenzial:Reduktion der Emissionen anCO2, CO, CHMagerbetrieb mit höheremWirkungsgradVerbesserung der ReichweiteSynergien bei Komponenten, Infrastruktur und Kundenakzeptanz
Prototyp von TU Graz, HyCentA
Modell Mercedes E, CNG
VKM Benzin, Erdgas und Wasserstoff
Hubvolumen 1796 cm³
Leistung Benzin / Wasserstoff 120 / 70 kW
Tank H2 2 kg / 350 bar
Reichweite H2 125 km
Multi-flex-fuel Fahrzeug
Folie 26
Früh- und Rückzündung
P_Zy
l [b
ar]
0
20
40
60
80
100
120
Kurbelwinkel [Grad]-225 -180 -135 -90 -45 0 45 90 135
dQh
[kJ/
°m³]
0
40
80
120
160
Crank Angle [°]
Cyl
inde
rpre
ssur
e[b
ar]
RO
HR
[kJ/
°m³]p_cyl
ROHRIC
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)
Folie 27
Luftverhältnisef
f. M
ittel
druc
k [b
ar]
0
2
4
6
8
10
12
D reh zah l [m in -1]1000 2000 3000 4000 5000 6000
90
80
70
60
50
40
30
20
102 .2
2 .1
1 .7
1 .81 .9
2 .0
2 .42 .5
2 .1
1 .91 .81 .7
1 .6
1 .6
P e [k W ]
Um Früh- und Rückzündungen zu vermeiden, werden Wasserstoffmotoren meist mit Luftüberschuss betrieben (magerer Betrieb bei Luftverhältnissen über 1,6).
Folie 28
Infolge des niedrigeren Gemischheizwertes und des höheren Luftverhältnisses im Magerbetrieb erreicht ein Motor mit Wasserstoff eine um etwa 40 % niedrigere Volllast als im Benzinbetrieb.
Dre
hmom
ent
[Nm
]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Drehzahl [min-1]1000 2000 3000 4000 5000 6000
Leis
tung
[kW
]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Volllastverhalten
Folie 29
Adaptionen Motor:Komponenten (Ansaugsystem, Injektoren)Bedatung ECUsDrehmomentvorgabeRegulierung des Luftpfades(Luftmenge, Luftverhältnis)Zündzeitpunkt
Multi-flex-fuel Fahrzeug
Folie 30
Adaptionen Fahrzeug:EG 79/2009Gassystem (350 bar)Gasdichte Kapselungelectronisches Gas-Sicherheitssystem ELGASS(Gasdetektion, Dichtheitsüberwachung, Gasmasse, Gasverbrauch, Monitor)
Multi-flex-fuel Fahrzeug
Folie 31
Geschichte - Brennstoffzelle1838 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 32
Prinzip
Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff liefert Wasser und Energie
Anode (−):H2 (g) + 2 OH − (aq) → 2 H2O (l) + 2 e −
Oxidation (Abgabe von Elektronen)
Kathode (+):H2O (l) + ½ O2 (g) + 2 e − → 2 OH − (aq)
Reduktion (Aufnahme von Elektronen)
Infolge der niedrigen Spannung müssen viele Zellen zu einem Stack kombiniert werden.
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l) ΔRH = − 286 kJ/mol
‐‐
‐ ‐
‐‐
Anode ‐ Kathode +
½ O2H2
H2O + ½ O2 + 2 e− → 2 OH−
2e‐
2 OH ‐
H2 + 2 OH− → 2 H2O + 2 e−
H2O
2e‐
‐‐‐‐
‐‐ ‐‐
‐‐‐‐
Anode ‐ Kathode +
½ O2H2
H2O + ½ O2 + 2 e− → 2 OH−
2e‐
2 OH ‐
H2 + 2 OH− → 2 H2O + 2 e−
H2O
2e‐
V48,1As/mol964852
J/mol10286 30mR0 =
⋅⋅−
−=⋅
Δ−=
FzHE
Folie 33
Wirkungsgrad
0
20
40
60
80
100
273 523 773 1023 1273 1523 1773 2023
Temperatur in Kelvin
Wirk
ungs
grad
in %
ηc (Tu = 323.15 K)
ηth der Brennstoffzelle
Die Umwandlung von Wärme in Arbeit ist durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, die elektrochemische Umwandlung durch die Entropiezunahme.
o
uC 1
TT
−=η
HG
ΔΔ
=thη
STΔ−=1thη
Folie 37
Die ersten Fahrzeuge mit Brennstoffzelle wurden 1966 von General Motors und 1970 vom Österreicher Karl Kordesch präsentiert.
Geschichte
Folie 38
„Green Car of the Year 2009“
Brennstoffzelle 100 kW
Elektromotor 100 kW
160 km/h
4 kg Wasserstoffbei 350 bar
Reichweite 470 km
Honda FCX
Folie 39
Hydrogen Center Austria
Erstes österreichisches Forschungszentrum für Wasserstoff mit Abgabestellen für LH2 und CGH2, eröffnet Oktober 2005
Folie 40
Aktivitäten HyCentA
• Prüftätigkeit mit kundenspezifischen Aufbautenund elektronischer Prozessregelung
• Thermodynamische Analyse vonProzessen und Systemen
• Sicherheitsfragen und Standards
• Wasserstoff in Grundlagenforschung, industrieller Forschung und Lehre
• Öffentlichkeitsarbeit wieKongresse und Publikationen