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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?
Wasserstoffwirtschaft
Die Herstellung von Wasserstoff
• Teil 2:
– Speicherung von Wasserstoff
• Teil 3:
– Anwendungsbereiche für Wasserstoff
• Diskussion
03.12.2007
Wasserstoff - Energieträger der
Zukunft
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"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
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Zukunft
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Geschichte der Wasserstofftechnik
Entdeckung 1766 durch
den Physiker Henry Cavendish
03.12.2007
1787 von Antoine Lavoisier
benannt
Wasserstoff - Energieträger der
Zukunft
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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
1839: Erfindung der
Brennstoffzelle durch Sir William Das Wasserstoffzeitalter steht vor der Tür!
Robert Grove
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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)
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Was ist Wasserstoff?
• Die Energiedichte von Wasserstoff:
Benzin
Erdgas
2,8kg
2,1kg
Wasserstoff
1kg
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Was ist Wasserstoff?
• ungiftig und nicht reizend
• geruchlos und geschmacksneutral
• Umweltneutral
• Wasserstoff speichert Energie
… und ist wieder verwendbar
Wasserstoff + Sauerstoff => Wasser + Energie
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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
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Warum Wasserstoff?
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Warum Wasserstoff?
1. Als alternativer Energieträger aufgrund
der Rohstoffknappheit
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Warum Wasserstoff?
Tendenz der CO2 Produktion im Moment: stark steigend!
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Warum Wasserstoff?
1. Als alternativer Energieträger aufgrund
der Rohstoffknappheit
2. Als sauberer Energieträger zur
Reduzierung schädlicher Emissionen
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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
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Nachteile von Wasserstoff:
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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
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Die Herstellung von Wasserstoff:
Erzeugung von
Wasserstoff
Wasserstoff aus
Algen
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Elektrolyse
Dampfreformierung
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Kvaerner Verfahren
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Die Herstellung von Wasserstoff:
Erzeugung von
Wasserstoff
Wasserstoff aus
Algen
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Elektrolyse
Dampfreformierung
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Zukunft
Kvaerner Verfahren
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Wasserstoff aus Algen
• Herstellung durch das
•
•
Enzym der Grünalge
„Hydrogenase“
Energie durch
Photosynthese
Durch eine „Schwefeldiät“
gibt die Alge Wasserstoff
ab
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Die Herstellung von Wasserstoff:
Erzeugung von
Wasserstoff
Wasserstoff aus
Algen
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Elektrolyse
Dampfreformierung
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Kvaerner Verfahren
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Wasserstoff durch Elektrolyse:
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Wasserstoff durch Elektrolyse:
Kathode: 2H20 + 2e-  2OH- + H2
Anode:
2OH H2O + 0,5O2 +2eBruttoreaktion: H2O  H2 + 0,5O2
 Anschließend sofortige Weiterbehandlung für den Transport
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Die Herstellung von Wasserstoff:
Erzeugung von
Wasserstoff
Wasserstoff aus
Algen
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Elektrolyse
Dampfreformierung
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Kvaerner Verfahren
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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
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Wasserstoff über Dampfreformierung
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Wasserstoff über Dampfreformierung
Synthesegas
„WasserstoffShift“ Reaktion
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Wasserstoff über Dampfreformierung
-
Biomasse frei verfügbar (Müllrecycling)
Von Wetter und Ort unabhängig
Weiterverwendung von CO2 möglich
Wirkungsgrad ~ 80%
Herstellung von Wasserstoff ohne Strom
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Die Herstellung von Wasserstoff:
Erzeugung von
Wasserstoff
Wasserstoff aus
Algen
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Elektrolyse
Dampfreformierung
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Kvaerner Verfahren
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Speicherung
• Auftretende Probleme:
 Wasserstoff ist leicht entzündbar
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Speicherung
• Auftretende Probleme:
 sehr geringe spezifische Dichte
 schwierige Abdichtung der Behältnisse
(Wasserstoffradius = 0,037nm)
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Speicherung
• Übersicht Speicherarten:
Traditionelle
Speicherarten
Flüssigwasser stoffspeicherung
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Neue
Speicherarten
Gasförmige
Speicherung
Metall hydridspeicherung
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Chemische
Speicherung
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Speicherung
• Flüssigwasserstoffspeicherung
(LH2)
 Abkühlung des Wasserstoffs unter die
Siedetemperatur (20,4 K)
 Volumenverringerung auf 1/800
gegenüber dem gasförmigen Zustand
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Schwachstellen
Speicherung
Kryotank von Linde; Anwendung im BMW 745h
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Speicherung
• Vorteile:
 geringe Reaktivität von LH2
 Erhöhung der Dichte um Faktor 800
 Speicherung unter Umgebungsdruck
 beste, auf Masse und Volumen
bezogene konventionelle
Speichermöglichkeit
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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
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Speicherung
• Metallhydridspeicherung (MH2):
• Allgemein
Anwendung in:
 U-Booten mit Brennstoffzellenantrieb
 Energiespeicher für Kleinverbraucher (z. B.
Laborgeräte)
 stationärer H2 – Speicher an H2 - Tankstellen
 Pkws
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Speicherung
• Verfahren:
Pü ~ p b
GH2
Qab
Trägermetall
z.B. Ti, Mg
Qzu zur Rückgewinnung
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Speicherung
• Anwendungsbeispiel:
Toyota (FCHV3):
Reichweite: 300km
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Flughafen München
(Eingest. 2006)
:
Koaxialröhren; von Flüssigkeit umgeben
(Kühlung = Speicherung und Erwärmung =
Freigabe
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Speicherung
• 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
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Speicherung
• Nanoskalige Speicherung
• Geschätzte Daten
Energiespeicherkapazität: ca. 7 Gew. %
Masse Wasserstoff: 3,1 kg
Reichweite für Pkw: ca. 450 km

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Akzeptable Werte für den Einsatz in der
Praxis
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Speicherung
• Möglicher Weg zur Realisierung durch so
genannte Alanate
• Alanate = Verbindungen aus Aluminium
und Wasserstoff mit zulegiertem
Magnesium
• H2 wird im Leichtmetallgitter gespeichert
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Speicherung
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Speicherung
• Vorteile
 Verringerung der Betankungszeit von
mehreren Stunden auf wenige Minuten
Begründung:
- Erzeugung nanokristalliner aus Al und
Mg durch Hochenergiemahlen
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Speicherung
• Hochenergiemahler:
- Veränderung der
Struktur auf Nanoebene
- Erzeugung vieler
Flächen zwischen den
Kristallen
Exzenter-Schwingmühle
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Speicherung
• Durch viele Kristallflächen und mit Hilfe eines
Katalysators  schnellere Diffusion des
Wasserstoffes
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Speicherung
• Weitere Vorteile:
 Speicherung von
mehr Wasserstoff möglich
Speicherart
Mol H/cm³
LH2
0,81
GH2(100 bar)
7,0
Nanokrist.
11,1
 gefahrlose Speicherung
• Nachteile:
 relativ Hohe Betriebstemperatur (ca. 300°C)
 weitere Nachteile noch nicht abschätzbar, da
Verfahren noch in „Kinderschuhen“
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Anwendungsspektrum
BMW 7 hydrogen
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Brennstoffzelle
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Brennstoffzellen
Erdgas
Methanol
Reformer
Brennstoffzelle
CO2
Wärme
+ Wasser
+ elektrische Energie
Wasserstoff
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Brennstoffzellen
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Brennstoffzellen
Das Comeback
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Brennstoffzellen Grundprinzip
Negative Elektrode (Anode):
2 H2
4 H+ + 4 e-
Positive Elektrode (Kathode):
O2 + 4 e- + 4 H+
2 H2O
Gesamtreaktion:
2 H2 + O2
2 H2O +
Elektrizität + Wärme
Hier am Typ PEMFC (Proton Exchange Membrane FC)
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Brennstoffzellen Ausführungen
• Grundprinzip gilt für alle,
Umsetzung aber
unterschiedlich
• Verschiedene Elektrolyten –
verschiedene Austauschionen
• Oxidationsmittel (Luftsauerstoff reiner O2)
• Brenngas (Wasserstoff, Erdgas,
Benzin, CO2)
• Stackbildung zur
Spannungserhöhung
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Brennstoffzellen
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Brennstoffzellen
stationär
mobil
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Brennstoffzellen - PEMFC
• Am weitesten verbreitet und erforscht
• Elektrolyt, Katalysator ist eine
Protonendurchlässige Folie
• Arbeitstemperatur <100°C
• Kein reiner Sauerstoff nötig
• Mögliche Anwendungsgebiete:
– Mobil (Verkehr) ohne Nutzung der Abwärme
– Kleingeräte (als Akku-Ersatz)
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Brennstoffzellen PEMFC
• frostanfällig
• Ist anfällig auf CO (10ppm)
– Membran „verstopft“, Reaktion bricht
zusammen
– Membran altert irreversibel
• Zukunftspotential:
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hoch
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Brennstoffzellen Wirkungsgrade
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Summary Brennstoffzellen
• Hohe Anlagennutzungsgrade (bis 90%)
• Keine Schadstoffemissionen
• Durch Koppelung einzelner Stacks kann
man hohe Leistungen erzeugen
• Mobiler Einsatz ist problemlos möglich
• Für jedes Anwendungsszenario ist eine
Ausführung gegeben
• Aber: ES GIBT NOCH VIEL ZU TUN…
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Wasserstoffverbrennungsmotoren
Besichtigung der
„Clean Energy“
Ausstellung im
Verkehrszentrum
des Dt.Museums,
München
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• Verbrennungsmotoren sind technisch
ausgereift
• Zuverlässig
• Antrieb gut integrierbar in bish. Systeme
• Niedrige Systemkosten
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• Grundlegendes Prinzip: Ottomotor
• Knallgasreaktion
• Erzeugt mechanische Energie
• Optimierungsbedarf ist gegeben
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• Äußere Gemischbildung
• Quantitätsregelung bei Lambda
1
• Geringe Dichte des
Wasserstoffs – verdrängt viel
Luft (71g/l – 780 g/l)
• Schlechter „Liefergrad“
• Hohe NOx Emissionen
• Geringe spez. Leistung
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• innere Gemischbildung
•
•
•
•
•
•
•
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Luft wird angesaugt (plus ATL)
Hochdruckdirekteinblasung (10-200bar)
Höhere Verdichtung – thermodynamischer Wirkungsgrad erhöht sich
Variables Luftverhältniß (Lambda>2)
guter Wirkungsgrad (>50%)
Höhere spez. Leistung
Keine NOx
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Innere / Tiefkalte Gemischbildung
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• Tiefkalte Saugrohreinblasung
• „Quasi-Aufladung“
• Dichte und Energieinhalt nehmen zu
• Hohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad
• Weniger Aufwand als bei innerer GB
• Hohe spezifische Leistung
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Wasserstoffverbrennungsmotor
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Wasserstoffverbrennungsmotor
• Fazit:
• Guter Wirkungsgrad
• System einfach integrierbar
• Hohe Kosten
• Weniger Leistung (mageres
Gemisch)
• Frühzündungen möglich
• Schlechte Schmiereigenschaften
• Erheblicher Aufwand bei der
Lagerung
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Deutsches Museum,
Verkehrszentrum
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit
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