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Referent: Dipl. Ing. Peter Pioch
Vortrag 1Grundlagen der Brennstoffzellen- und
Wasserstofftechnologie
Lehrerfortbildung
Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie
27. Februar 2007 am WBZU in Ulm
Peter Pioch (WBZU), Thomas Aigle (WBZU)
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Inhalt
Grundlagen der BrennstoffzellentechnologieEinführung und Überblick
Teil 1 Energie: Was ist Wasserstoff? Warum Wasserstoffwirtschaft?
Teil 2 Welche Vorteile bieten Brennstoffzellen?
Teil 4 Brennstoffzellen-Typen
Teil 5 Brennstoffzellen – Anwendungen
Teil 6 Marktchancen: Wann kommt die Brennstoffzelle?
Teil 3 Aufbau und Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle
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Wasserstoff als Element
Teil 1:Was ist Wasserstoff? •Wasserstoff ist das leichteste Element.
•Es kommt in der Natur (auf der Erde) nicht frei vor.•Es hat den höchsten Heizwert aller Brennstoffe – bezogen auf das Gewicht.•Es ist gasförmig, erst bei -253 °C wird es flüssig.•Es verbindet sich mit Sauerstoff zu Wasser.•Es ist leicht brennbar und kann mit Luft gemischt explodieren.•Es besteht aus einem Proton und einem Elektron. Ein geringer Anteil (Deuterium) hat noch ein Neutron.
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Eigenschaften von Wasserstoff
Wasserstoff ist nicht explosiv im Freien (nur in mindestens dreiseitig abgeschlossenen Räumen)nicht brandförderndnicht giftignicht radioaktivnicht krebserzeugend
Vorsicht: Wasserstoff istbrennbar: unsichtbare Flamme, niedrige Zündenergiefarb und geruchlosführt als Mischung mit Luft zu einer „Knallgasreaktion“ (wenn er nicht entweichen kann)
Teil 1:Was ist Wasserstoff?
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„Hindenburg“, Lakehurst, 6. Mai 1937
„Hindenburg“: brannte mit intensiv leuchtender Flamme (SW-Foto nach Aussagen von Zeugen (nachkoloriert) Foto: Bain
Streiche Deinen Zeppelin nicht mit Raketentreibstoff an!
Was brennt denn da?
Wasserstoff (rechts): nahezu unsichtbare Flamme. Der große Feuerstrahl links kommt aus de beiden Hilfsraketen Foto: NASA
Teil 1:Was ist Wasserstoff?
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H2-Freisetzung in geschlossenen Räumen
Quelle: Bielert et al. TÜ 42, (2001) 11-15 und TÜ 43, (2002) 52-57
Tunnel: Freisetzung von 7 kg H2örtlich Detonationsgrenzeüberschritten
Garage: langsame Freisetzungvon 34 g H2 nach 100 sAusbildung zündfähigerGemische
Vorsicht: Wasserstoff kann detonieren in geschlossenen Räumen !
Teil 1:Was ist Wasserstoff?
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Wasserstoff als Energieträger
Teil 1:Was ist Wasserstoff?
Merke:
Wasserstoff ist ein Energieträger – keine
Energiequelle!
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Zukunft ?
Teil 1:Warum Wasserstoff?
- Die fossilen Energiequellen sind begrenzt
- Treibhauseffekt
- Ozonloch
- Luftschadstoffe
- Grenzen des Wachstums
Warum brauchen wir eine Wasserstoffwirtschaft?
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Reichweite der Energieträger
166
Mit Brüter: 8000 68.00011.280.000Uran (Tonnen)
10012,21001224Insgesamt
217,6
41
62,5
30
43
27
3,7
5,2
3,3
66
17
17
805
213
206
Kohle
Erdöl
Erdgas
%Mrd. t SKE%Mrd. t SKE
Vorrat/Verbrauch [Jahr]
VerbrauchVorräteEnergieträgerTeil 1:Warum Wasserstoff?
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Treibhauseffekt
CO2 entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie z.B. Öl, Kohle oder Erdgas
Seit der Industrialisierung ist der CO2-Anteil und die globale Welttemperatur deutlich angestiegen !
Ein weiterer Temperaturanstieg führt zum Schmelzen der Pole und Gletscher, ganze Länder können überflutet werden
Teil 1:Warum Wasserstoff?
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Nachhaltige Energieträger
Anforderungen an ein nachhaltiges wirtschaften mit Energie:
Schadstofffreie Energieträger
Unbegrenzte Verfügbarkeit von Energieträgern
Wirtschaftliche Gewinnung und Wandlung der Energieträger.
Effiziente Wandlungstechnologien
Neuverteilung der Energieressourcen (dezentral)
Akzeptanz und Legitimation
Teil 1:Warum Wasserstoff?
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Welche Vorteile bieten Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff (oder wasserstoffhaltige Gase) um Strom und Wärme zu erzeugen. Die Vorteile sind dabei:
• höherer Wirkungsgrad als bei Verbrennung-Turbine-Generator
• keine Schadstoffe• Brennstoffzellen arbeiten sehr leise• Wasserstoff kann gespeichert werden – Strom nicht• Wasserstoff kann in Pipelines über große Strecken
transportiert werden• Wasserstoff ist mit regenerativen Energien herzustellen• Wasserstoff kann in den Regionen der Erde hergestellt
werden in denen Primärenergie günstig ist.
Teil 2:Welche Vorteile bieten Brennstoffzellen?
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Welche Nachteile?
• Der Nachteil ist aber:
• Wasserstoff hat eine geringe volumetrische Energiedichte
• Eine Infrastruktur für Wasserstoff muss erst noch geschaffen werden.
• Brennstoffzellen sind noch teuer und brauchen noch Entwicklung für die Marktreife
• Die Lebensdauer ist teilweise noch unbefriedigend
Teil 2:Welche Vorteile bieten Brennstoffzellen?
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Energiebilanz einer Brennstoffzelle
In einer Brennstoffzelle wird die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in Elektrische Energie und Wärmeenergie umgewandelt.
1. Reaktionsenthalpie ΔH (Heiz- und Brennwert)
Die Brennstoffenergie wird bei der Verbrennung des Brennstoffs als Reaktionswärme frei. In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, pro mol Wasserstoff wird eine Energiemenge von 286kJ freigesetzt. Dieser Wert wird als Reaktionsenthalpie ΔH oder bei konstantem Druck als Heizwert bezeichnet.
Brennstoffenergie = elektrische Energie + Wärmeenergie
kJ/mol 285.8ΔH , O2HO2H O222 =→+
Wasserstoff
Sauerstoff/Luft
Wasser
WärmeElektrizitätBZ
Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau
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Theorie: Wirkungsgradvergleich WKM und BZ
Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen arbeiten bei einem niedrigen Temperaturniveau schon effizient !
0%
25%
50%
75%
100%
0 200 400 600 800 1000 1200
T [°C]
Wirk
ungs
grad
[%]
CH4-O2 BZH2-O2 BZCarnot (T2=100°C)
Δη
Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau
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Geschichtliches zur BrennstoffzelleGeburt der Brennstoffzelle
1839: Die Entdeckung der BZ durch Sir W. Grove
1889: Bezeichnung "Brennstoffzelle" setzt sich durch
1894: Wilhelm Ostwald errechnet einen theoretischen Wirkungsgrad von 83 % bei Raumtemperatur.
1. Renaissance der Brennstoffzelle: Raumfahrt
60er Jahre: Entwicklung und Einsatz der alkalischen Brennstoffzelle (AFC) für Apollo-Programm
1964: Entwicklung der Polymermembranzelle PEMFC), Einsatz in Gemini-Raumfahrzeug
80er Jahre: Entwicklung und Einsatz der alkalischen Brennstoffzelle (AFC) für Space-Shuttle-Programm
2. Renaissance der Brennstoffzelle
Seit ca.1990: Wiederentdeckung der Brennstoffzelle
Seit ca.2000: Prototypen und Vorserienprodukte
Sir W. Grove
Nischenanwendungen
Vorserienprodukte
Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau
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2 H2O
Wasser H2O OH
HO
H
H
Funktionsprinzip am Beispiel der PEFC
ElektrolytA
node
(-)
Rest-Brenngas
Kat
hode
(+)
Katalysator
-H2
H+
−+ +→ 4e4H2H2
Anode
H+
H+H+
- - - -
+4HMembran
O2H+-
O2H4e4HO 2-
2 →++ +
Kathode
Brenngas (H2)
H2 H2
2 H2
Oxidationsmittel (Luft / O2)
O2
O2
Gesamtreaktion OH2OH2 222 →+
Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau
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Stackaufbau
Schaltet man mehrere Einzelzellen in Reihe, so spricht man von einem Brennstoffzellenstack (Stapel). Die Spannungen der Einzelzellen addieren sich zur Gesamtspannung.
PEM-Brennstoffzelle (ZSW-Ulm)
H2 H2 H2
Luft
End
plat
te
Bip
olar
plat
te
End
plat
te
Bip
olar
plat
teEME GDL
Luft Luft
Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau
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Teil 4. Brennstoffzellen-Typen
AFC
PEFC
DMFC
PAFC
MCFC
SOFC
Teil 4:Brennstoffzellen Typen
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Eigenschaften BZ-Typen
hochsofortStart-Up-Time
niedrighochDynamik
niedrighochSystem-komplexität
hochniedrigZell-Wirkungsgrad
Weniger rein
Reinst-gaseGasanforderung
Weniger edeledelKat. Material
hochniedrigTemperatur
SOFCMCFCPAFCPEFC AFC
<100°C bis 1000°C
Platin Metalle
4-5.0 H2CnHm
40-50% 50-60%
Reformer Interne Ref.
Sekunden Stunden
Teil 4:Brennstoffzellen Typen
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Brennstoffzellen sind vielseitig !
Stromversorgung in „besonderer Umgebung“
RaumfahrtU-BootMilitär
Portable StromerzeugungErsatz von Batterienportable StromquellenErsatzstromversorgung
Kraft- Wärme- Kopplunggewerbliche KWKHausenergieversorgung
Antrieb von FahrzeugenWasserfahrzeugeBusseAutomobile
GroßkraftwerkeBZ-Kraftwerke mit Turbine (reine Stromerzeugung)
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
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Fahrzeugkonzepte
Verbrennungsantrieb Benzin/Diesel+ hohe Reichweite, hohe Leistung, Erfahrung, Infrastruktur- Stickoxide, Kohlendioxid, Wirkungsgradpotential nahezu ausgereiztVerbrennungsantrieb Erdgas+ Geringere Schadstoffemissionen- Große Tanks, schlechte InfrastrukturHybridantrieb+ Emissionsverhalten, hohe Reichweite- komplexes Systemkonzept, hohes GewichtElektrofahrzeug Batteriebetrieb+ lokal emissionsfrei- geringe Reichweite, hohes Gewicht, LadezeitElektrofahrzeug Brennstoffzelle+ Hoher Wirkungsgrad, Emissionsverhalten- komplexe Technik, Infrastruktur
mobil
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
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Übersicht: Brennstoffzellen-Fahrzeuge
GM/Opel PSA
Nissan Toyota DaimlerChrysler
China FC
Toyota HinoToyota Fine-S Hunter Studie
Übersicht unter: www.h2cars.de !!
mobil
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
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Entwicklungsstand DC: f-cell A-Klasse
F-Cell (A-Klasse)
Brennstoffzellensystem:Ballard Mak 900Leistung: 72 kW, 440 Zellen
VersorgungssystemKraftstoff: WasserstoffTank: Druckspeicher (350 bar)
Fahrzeug Höchstgeschwindigkeit140 km/h
Reichweite150 km
11. März 2003: Start der Erprobung der A-Klasse in Japan
Quelle: DC
mobil
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
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Brennstoffzellen-Bus (MAN)
Quelle: www.brennstoffzellenbus.de
Fahrzeug: MAN Nutzfahrzeuge AGNiederflurbus NL 263 BZ, Länge 12 m, 18t
Fahrzeugantrieb: Siemens AGAsynchronmotor 2 x 75 kW
Brennstoffzelle: Siemens AG4 Module, Nennleistung 120 kW, 400 V
Wasserstoffspeichersystem MAN Technologie AG
Wasserstoffverbrauch: 8 kg/hmax. Fülldruck: 250 barAnzahl Flaschen: 9 (1548 l)
Reichweite: >250 km
Wasserstoffbetankungsanlage, Peripherie: Linde AG
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
mobil
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Stationäre Anwendung USV
stationär
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung48 V Versorgung für Anlagen der Telekommunikation
über Wechselrichter auch 230 V unterbrechungsfrei realisierbar
Kommerzialisierung ab 2006 erfolgt
Technik: PEMFC mit Wasserstoff
Versorgung mit Druckgasflaschen
Bedarf ca. 1 Nm³ Wasserstoff pro kWh
Zuverlässigkeit besser als 99,99%
Quelle: wikipedia.de
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Motorola Smart Fuel Cell
MasterflexFhG-ISE, 50 Wel
Portable-Anwendung: Kleinst BrennstoffzellenKleinst-Brennstoffzellen
Ersatz von Batterien, z.B. in Labtops, Camcordern
Kommerzialisierung ab 2005 erfolgt (SFC A 50)
Technik: DMFC mit Methanol (einfacher Infrastruktur) oder PEMFC mit Wasserstoff in Entwicklung.
FhG ISEportabel
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
ZSW
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Portable-Anwendung: Klein Brennstoffzellen
Portapack 1000 VE Voller Energy, UK1 kWel
System NEXA, Fa. Ballard 1,2 kWel,
AirGen mit Nexa-System
Klein-BZ:
Erste Kleinserien größerer portabler Geräte am Markt (z.B. Ballard NEXA). Absatz jedoch noch schleppend.
Ersatz von dezentralen Stromerzeugern (z.B. Notstromaggregate)
Hydrogenics AXANE, polar pac
Power Bag S, ZSW)
portabel
Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen
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Zielkosten
SpezifischeZielkosten:Euro / KW
500
5000
50
2005 2020 Marktein-führungsbeginn2010
Kostenreduktion und technische Reife heute noch nicht ausreichend !
Auto
4 Cportable
Haus
Teil 6:Marktchancen
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Zusammenfassung
Brennstoffzellen sind leise, sauber und effizient
Brennstoffzellen dienen zur umweltfreundlichen und effizienten Erzeugung von Strom und Wärme
Emissionsfrei und CO2-Neutral bei Reg. H2 Erzeugung
Sie zeigen ein breites Anwendungspotenzial
Es werden drei Technologielinien mit Nachdruck entwickelt
PEMFC (portabel, Kraft Wärme Kopplung, Fahrzeugantrieb)SOFC (Kraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung, Bordstrom)MCFC (Kraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung)
Kosten sind (noch) sehr hoch
Fragen der Wasserstofflogistik müssen gelöst werden
Erste Brennstoffzellenprodukte sind seit 2004/2005 verfügbar