Wasserstoff als Energiespeicher - Vorkommen, Darstellung und Nutzung Prof. Dr. Michael Fröba - Wasserstoff-Gesellschaft
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Wasserstoff als Energiespeicher
Vorkommen, Darstellung und Nutzung
Prof. Dr. Michael Fröba
Institut für Anorganische und Angewandte Chemie
Universität Hamburg
02.07.2014 Mitgliederversammlung, Wasserstoff-Gesellschaft Hamburg 1
Primärenergieträger
Mögliche künftige Versorgung
Strom zu Kraftstoff
Kraftstoff zu Strom
2
Endenergieverbrauch
Peta = 1015 = Billiarden; 1 kWh = 3600 Kilojoule (kJ)
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013. 3
Bruttostromerzeugung aller Kraftwerke
Tera = 1012 = Billionen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013. 4
Bruttostromerzeugung aus EE
Tera = 1012 = Billionen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013. 5
Stromerzeugungskapazitäten
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013. 6
Energieversorgung
Erzeugung Smart grid Verbrauch
H2
Speicherung
7
Energiespeicher
Energiespeicher
elektro-
chemisch chemisch thermisch mechanisch
Brennstoff-/ Latentwärme-
Speicherstoffe Elektrolysezelle Redoxflusszelle Batterie Kondensator speicher Pumpspeicher
Natriumpolysulfid/
Wasser/Wasserstoff -bromid Blei konventionell Salzschmelze Wasser
Super-
Methanol Vanadium Nickel/Cadmium kondensator CAES
Ethanol Zink/Brom Lithium AA-CAES
Elektro-
Ammoniak Zink/Cer Natrium/Schwefel
magnetisch Schwungrad
Carbazol … Metallhydrid
Spulen
… …
SMES
CAES = Compressed Air Energy Storage SMES = Superconducting magnetic
AA-CAES = Advanced Adiabatic CAES energy storage
8
“Windwasserstoff”
© Hamburg Messe und Congress GmbH
9
Speichertechnologien
10Wasserstoffspeicherung
fl.-H2 gasf.-H2 Nanoporöse
Metallhydride
(-253 oC) (300-700 bar) Materialien
11Energieträger im Vergleich
Energiedichten
12Energieträger im Vergleich
13Wasserstoffzyklus
Heute: Heute:
Verbrennung & Fossile Energieträger
Brennstoffzelle
Zukunft: Zukunft:
Brennstoffzelle Regenerative Energien
Heute: Zukunft:
Konventionell Chemisch
14Warum Wasserstoff?
Sauberer Energieträger
bildet bei der Verbrennung/Brennstoffzelle nur Wasser + (Wärme/Strom)
O2 + 2H2 → 2H2O
produziert keine giftigen Abgase/Treibhausgase
Hoher Energieinhalt
Steinkohle 30 MJ/kg
Benzin 43 MJ/kg
Methan 50 MJ/kg
Wasserstoff 120 MJ/kg
DAIMLER
Automobil
für 400Ab
km 2016 auf dem
Reichweite Markt
benötig man
400 km Reichweite, 136
Verbrennungsmotor: 24 kgPS, 170oder
Benzin km/h Spitzengeschwindigkeit
3,3 l Kraftstoff/100 km (Dieseläquivalent)
8 kg Wasserstoff
Elektroauto (Brennstoffzelle): 4 kg Wasserstoff Daimler
15Brennstoffzelle
16Brennstoffzellentypen
17Brennstoffzellen – Prinzip
Photovoltaik
Generator
mechanische Energie elektrische Energie
Turbine Fuel Cell
Verbrennung
thermische Energie chemische Energie
AKW
Geothermie
z.B. KKW
Solarthermie
18Entdeckung der Elemente (Zeiträume)
19Wasserstoff
Name: Hydrogenium hydor, genein [griech.] = "Wasser", "erzeugen"
Physikalische Eigenschaften
- Atomradius (kovalent): 37 pm
- Ionisierungsenergie: 13,6 eV
- Elektronegativität (Pauling): 2,20
- Molekülgitter mit hexagonal-dichtester Kugelpackung
Schmelzpunkt: -259,19 oC / 13,96 K (ρ: 0.0763 g/cm3)
Siedepunkt: -252,76 oC / 20,39 K (ρ: 0.0700 g/cm3)
- farblos, geruch- und geschmackloses, wasserunlösliches Gas
- Isotope (Häufigkeit): 1H (99.985 %) Wasserstoff H
2H (0.0145 %) Deuterium D
3H (10-15 %) Tritium T
20Wasserstoff
Physikalische Eigenschaften
- leichteste aller Gase, hohe Auftriebskraft
- Gas mit dem größten Diffusionsvermögen
(hohe Geschwindigkeit)
v1 / v2 = √ (m2 / m1)
→ H2 diffundiert 4x schneller als O2
→ größte Wärmeleitfähigkeit
- bei etwa 2,5 Mbar sind intra- und intermolekulare H-H-Abstände gleich
→ metallischer Wasserstoff (elektrisch leitend)
21Wasserstoff
Geschichte/Entdeckung
- Robert Boyle (1627-1691) beschreibt 1671 die Reaktion von Schwefelsäure
mit Eisenpulver. Bildung eines „leichtbrennbaren Dampfes“.
- Henry Cavendish (1731-1810) isoliert 1766 die aus Metallen und Säuren
erzeugbare „brennbare Luft“.
- Antoine L. de Lavoisier (1743-1794) schlägt 1783 für Wasserstoff den Namen
Hydrogenium (hydor, genein [griech.] = "Wasser", "erzeugen„) vor.
- Gaslaternen (Stadtgas) kommen
für die städtische Beleuchtung
zum Einsatz (1808, London).
22Wasserstoff
Chemische Eigenschaften
- relativ große Dissoziationsenergie
H2 2H ∆H = + 436 kJ/mol
- bei RT ziemlich reaktionsträge
- ein Gemisch von H2 & O2 im Verhältnis
2 : 1 kann jahrelang aufbewahrt werden
- Aktivierung durch Zufuhr von Wärme-
oder Strahlungsenergie oder durch
Oberflächenreaktionen an Katalysatoren
- Döbereiner Feuerzeug (1823)
Zn + Säure, Pt-Katalysator
2H2 + O2 → 2H2O(fl.) ∆H = - 572 kJ/mol
fahle, bläuliche, heiße Flamme
23Wasserstoff
Eigenschaften
leichteste aller Gase, hohe Auftriebskraft
wird bei -252,76 oC flüssig
farblos, geruch- und geschmackloses, wasserunlösliches Gas
Vorkommen
Kosmos:
häufigste Element
2/3 der Gesamtmasse des Weltalls besteht aus Wasserstoff
Erde:
untere Atmosphäre (H2) nur in Spuren
aber in gebundener Form in Wasser (H2O)
Verwendung
50% für Ammoniaksynthese (NH3); Düngemittel
37 % für Produkte aus Erdöl
8 % für Methanolsynthese (CH3OH)
4 % andere
24Wasserstoff
Verwendung
25Haber-Bosch-Verfahren
HABER-BOSCH-Verfahren: Synthese von Ammoniak (NH3) aus den Elementen
N2 + 3 H2 2 NH3 ; ∆HB0 = -46 kJ mol-1
- Druck: 25 - 35 MPa (250 - 350 bar)
- Temperatur: 400 - 500 °C
- Katalysator: Eisenoxid
Ammoniak:
- bei Raumtemperatur gasförmig, Siedepunkt –33 °C
- gut löslich in Wasser (H-Brücken, "Ammoniakwasser")
- giftig, stechender Geruch ("Salmiak" = NH4Cl)
- wichtige Industriechemikalie, vor allem für die
Verwendung von Ammoniak
Herstellung von Düngemitteln ("Stickstoffdünger")
- Produktion weltweit ca. 120 Millionen Tonnen pro Jahr
26Wasserstoffzyklus
Heute: Heute:
Verbrennung & Fossile Energieträger
Brennstoffzelle
Zukunft: Zukunft:
Brennstoffzelle Regenerative Energien
Heute: Zukunft:
Konventionell Chemisch
27Energiequellen zur Spaltung von Wasser
W. Schnurnberger (DLR), H.
Janßen (FZJ), U. Wittstadt
(Fraunhofer ISE), Wasser
spaltung mit Strom und
Wärme, FVS Themen (2004).
28Woher kommt der Wasserstoff?
Weltweite Wasserstoffproduktion (2006)
96% aus fossilen Energieträgern
Erdgas (49 %)
Flüssige Kohlenwasserstoffe (29 %)
Kohle (18 %)
4 % aus Chlor-Alkali-Elektrolyse und anderen Quellen
weltweit werden heute 50 Mio. t Wasserstoff hergestellt und verbraucht
(entspricht: 2% des weltweiten Energiebedarfs)
Zukünftig
Erzeugung von Strom aus regenerativen Energiequellen (z.B. Wind, Sonne, Wasserkraft)
Nutzung dieses Stroms zur Spaltung von Wasser (Elektrolyse)
2H2O → O2 + 2H2
Speicherung des Stroms in Form des sekundären Energieträgers Wasserstoff
29Woher kommt der Wasserstoff?
Reformierung von Erdgas
Erdgas bzw. Methan (CH4) hat einen
hohen Gehalt an Wasserstoff
Gegenwärtig wird Wasserstoff
größtenteils durch Dampfreformierung
von Erdgas erzeugt.
Neben Wasserstoff entsteht auch
Kohlenmonoxid (CO) und
Kohlendioxid (CO2)
CH4 + H2O → 3H2 + CO Dampfreformierung bei 800 oC
CO + H2O CO2 + H2 Shiftreaktion bei 400/200 oC
2CO + O2 → 3CO2 selektive CO-Oxidation bei 100 oC
30EE-Quellen und Verfahren zur Wasserspaltung
W. Schnurnberger (DLR), H. Janßen (FZJ), U. Wittstadt (Fraunhofer ISE), Wasser spaltung mit Strom und Wärme, FVS Themen (2004).
31Zukunft
Grafik: ENEA – Ente per le Nuove Tecnologie, l‘Energia at l‘Ambiente, Italien
32Zukunft/Vision für 2025
Mercedes F125!
Karosserie
Carbon-Kohlestofffasern,
Aluminium und hochfeste Stähle
Elektroantrieb
vier Elektromotoren
Energiespeicherung 64. IAA, 2011
Li/S-Batterie (350 Wh/kg)
Ladung durch Induktion
H2: 7.5 kg in MOFs (30-40 bar)
Reichweite/Höchstgeschwindigkeit
bis 1000 km
220 km/h
33Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
34Wasserstoff - Zahlen
täglicher Verbrauch an Kraftstoffen in den USA: 1 Mio. t
Ersatz: 0.34 Mio. t Wasserstoff
Elektrolyse von 3 Mio. t Wasser
Nebenprodukt: 2.7 Mio t Sauerstoff
erfordert 850 GW Energie,
das entspricht 38 „Dreischluchten-Staudämme“
20 TWh Stromverbrauch
Strom dafür aus Kernkraft
850 AKWs mit einer Leistung von jeweils 1000 MW
entspricht der doppelten Menge an auf der Erde vorhandenen AKWs
Bauzeit pro AKW: 8-10 Jahre
Es macht nur Sinn, wenn der Strom aus regenerativen Energiequellen erzeugt wird!
35Wasserstoff durch Elektrolyse
850 GW Energie / 20 TWh Strom
Photovoltaik
5700 km2 (75.5 x 75.5 km)
bei 15% Effizienz der Solarzellen
5-6 mal teurer als Windkrafttechnologie
Solarthermie
Strahlungsdichte nicht sehr hoch,
sehr stark von der geographischen Lage abhängig
„concentrated solar power“
20.000 Anlagen vom Typ Andasol I
36Wasserstoff durch Elektrolyse
850 GW Energie / 20 TWh Strom
Windenergie
sehr hohes Potential (75 TW; „on-shore“>> „off-shore“)
durchschnittliche Kapazität: 30%
Studien: Netz aus 2.5 MW Turbinen („on-shore), die
bei 20% Kapazität operieren, liefern mehr als 40mal den
Strom oder 5mal die gesamte Energie, die die Erde benötigt.
2009: Leistung aller in Europa betriebenen Anlagen: 158 GW (USA: 35 GW)
Ziel für Europa in 2020: 180 GW
Wasserkraft
größter regenerativer Stromlieferant
installierte Anlagen: 800 GW (davon 85 GW Kleinanlagen)
2008: 3 TWh (16% des weltweiten Stromverbrauchs)
Potential: 60 EJ (12% des weltweiten Energiebedarfs)
In Europa und den USA sind 70% der geographischen Lagen genutzt
hohes Potential noch in Asien und Afrika
37Kraft-Wärme-Kopplung
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