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Wasserstoff als CO2-freier Energieträger

Univ.-Doz. Dr. Manfred KlellHyCentA (Hydrogen Center Austria) Graz

FH Joanneum 15.06.2011

Folie 2

Verkehr

Folie 3

Schadstoffe

Folie 4

Umweltschäden

Golf von Mexiko 2010, Fukushima 2011

Folie 5

Fahrzeuge

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 9

CO2-Emissionen

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.


Folie 13

Speicherung von Wasserstoff:Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff erfolgt als verdichtetes Gas, tiefkalt

verflüssigt oder in physikalischen und chemischen Verbindungen.


Folie 14

Anwendung von Wasserstoff:Wasserstoff bildet mit Luft leicht entzündliche Gemische und kann als Kraftstoff in

Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Turbinen eingesetzt werden.


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 23

Geschichte VKM

1807 Francois de Rivaz 1860 Etienne Lenoir

1938 Rudolf Erren

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


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


Folie 30

Adaptionen Fahrzeug:EG 79/2009Gassystem (350 bar)Gasdichte Kapselungelectronisches Gas-Sicherheitssystem ELGASS(Gasdetektion, Dichtheitsüberwachung, Gasmasse, Gasverbrauch, Monitor)


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 34

Portable Anwendungen

Energieversorgung für Laborgeräte und Hilfsaggregate (APU)

Folie 35

Stationäre Anwendungen

Stromversorgung: Kraft-Wärme-Kupplung im HaushaltGroßkraftwerke

Folie 36

Mobile Anwendungen

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

Folie 41

www.hycenta.at

wasserstoff als co2-freier energieträger · sternen, er ist das einfachste atom bestehend aus...

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