Wasserstofferzeugung und –speicherung
Einblicke und Perspektiven für Hamburg
Peter Burger
Universität Hamburg
Handelskammer 18.10.07
[email protected] Unterlagen:www.chemie.uni-hamburg.de/ac/burger
Wer bin ich?
1982-1991: Studium & Promotion (Katalyse) in anorg. Chemie Universität Konstanz
1991-1993: Postdoktorand (Alkanfunktionalisierung) UC Berkeley, USA
1993-2002: Oberassistent (H2-Komplexe, partielle Methanoxidation) Universität Zürich
2002: Habilitation und Venia Legendi an der Universität Zürich und Annahme des Rufes an die Universität Hamburg
H2 - Anknüpfung?G ra d u a te S c h o o l
F u tu re E n e rg y R e s o u rc e s
A p p lic a tio n D ra ft S e p te m b e r 2 0 0 6
C o o rd in a to r P . B u rg e r
H a m b u rg R e s e a rc h P la tfo rm
U n ive rs ity o f H a m b u rg & T e c h n ic a l U n ive rs ity o f H a m b u rg -H a rb u rg & R e p o w e r A G & H a m b u rg In s titu te o f In te rn a tio n a l E c o n o m ic s (H W W I) & F e d e ra l R e s e a rc h C e n tre fo r F o re s try a n d F o re s t P ro d u c ts & H a m b u rg U n ive rs ity o f A p p lie d S c ie n c e s (H A W )
G e o s c ie n c eB io lo g y
E c o n o m y
C h e m is try
F u tu reE n e rg y
Antragsskizze Exzellenzinitiative Sept. 06
12.1.2007
Nomen est Omen!
H2@HH
Wasserstoff gehört nach Hamburg!
Woher? Wohin?
Erzeugung Energie-Speicherung & Trägerkein Primärenergieträger
H2: Unde venis – quo vadis
Woher? Wohin?
Erzeugung Energie-Speicherung & -Trägerkein Primärenergieträger
H2: Unde venis – quo vadis
„Henne-Ei“ Problem ?
H2 Übersicht: Unde venis – quo vadis
Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband„Woher kommt die Energie für die Wasserstofferzeugung - Status und Alternativen“.
http://www.hyweb.de/Wissen/docs2006/DWV_Woher-H2_NOV2006.pdf
Erdgas - Wasserstofferzeugung
DampfreformierungsanlageBrunsbüttel
48% H2 weltweitaus Erdgas, Methan (CH4)
1) CH4 + H2O CO + 3 H2
sehr hoher Energieaufwand!2) CO + H2O CO2 + H2
Vorteil: zentrale Erzeugung denkbare CO2-Sequestrierung (CSS)
Gajewski, Kather, Winkler
CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2
Netto:
KatalyseforschungProsenc, Burger, Heck, Weller
Mikroreformer
H2 aus Biomasse
BiotechnologieStegmann, Scherer
neue mikrobiologische SystemeStegmann, Antranikian, Liese, Streit
Thermochemische ErzeugungKather, Willner
H2 aus Biomasse: Ackerflächen ?
Aktuelle Studie: Ludwig Bölkow Systemtechnik GmbH vom 9.10.07
H2: Wind/PV
Ert
rag
[GJ/
ha]
Methan, Biodiesel etc.
http://www.hyweb.de/Wissen/docs2007/LBST-Analysis_Biofuels-vs-H2-wind-PV-yield_09OCT2007.pdf
„Produziert man Wasserstoff aus Photovoltaik oder Wind auf einem Acker,
anstatt auf der gleichen Fläche Biokraftstoffe zu produzieren, so erhält man 10-mal mehr Kraftstoff....“
„I’m not sure what the winner will be that is able to make energy without addingextra CO2 to the atmosphere.” A failing of energy R&D for the last 30 years inthe United States has been that it has been treated as an engineering problem,
with a little ‘r’ component and big ‘D.’ There needs to be an ‘R’ bigger than the ‘D.’
There are whole new areas of science and engineering that need to be discovered to solve this problem.”
MIT, Department of Chemistry
Science 315, 2007, 789 PNAS 103, 2006, 15729
Solare Wasserstofferzeugung
Burger, Heck, Luinstra, Prosenc, Weller
Artifizielle Photosynthese (Katalysatoren)
H2O + Licht H2 + ½ O2
Photosynthese
Photobiologische H2-Erzeugung Streit
ca. 1 Milliarde Jahre Entwicklungszeit
WasserstofferzeugungH2O + Strom H2 + ½ O2
Elektrolyse
PEM Wasser-Elektrolyseur
MembraneNunes, Luinstra
J. Müller, Heck, Prosenc, Burger
Edelmetall-reduzierte/-freie Elektroden
Lolland, Dänemark
WELCOME TO HYDROGEN COMMUNITY LOLLAND
FC‘s
ElektrolyseurH2
Wärme
Speicherung!!
Strom + H2O + NaCl ½ H2 + ½ Cl2 + NaOH
Fa. Dow, StadeH2 Pipeline HH
Chlor-Alkali-Elektrolyse
Tieftemperaturmetallydrid: FeTiH2..
Mitteltemperaturmetallydrid: NaAlH4
Hochtemperaturmetallydrid: MgH2
Flüssiger Wasserstoff: H2
Gasförmiger H2
700 bar
Wasserstoffspeicherung
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MJ/
kg]
enormer Forschungsbedarf – neue Materialien
Volumetrische Energiedichte [MJ/]
Diesel
Wasserstoffspeicher Metallhydride
SystemintegrationHapke, Struckmeier
Neue MetallhydrideDornheim, Bormann
ModellierungDornheim, Kabelac, Klassen
Absorption
Ca(BH4)2/MgH2
Desorption
Wasserstoffspeicher „neue Materialien“
Carbon NanotubesWeller, Mews, Bormann, Keil
„Mesoporöse Materialien“Fröba
Luinstra, BurgerOrganische Polymere
Gasspeicher
Metal-Organic Frameworks, MOFSFröba, Burger
nicht nur H2: CO2
Bedeutung: z.B. CCS-Verfahren
Was kann die Wissenschaft sonst noch ?
Naturwissenschaftler sind die besseren Manager.
The Boston Consulting Group Anzeige in der „Zeit“ am 4.10.07, S. 77
Schmeichelhaft aber eindimen-
sionale Sichtweise!
Was kann die Wissenschaft sonst noch ?
The Boston Consulting Group Anzeige in der „Zeit“ am 4.10.07, S. 77
„Manhattan- oder Apollo-Projekt des 21. Jahrhunderts“ zukünftige CO2-neutrale Energieressourcen
KernfusionIter ??Iter ??
Managerbedarf ?
„Henne-Ei“ Problem ?
Energieversorgung oder -verbrauch?
WeltenergieverbrauchP
rmäre
nerg
ie [
EJ/
a]
2000 2010 2020 2030 2040 2050
Quelle: WGBU/Shell 2005
Jahr
1 EJ (6 sec Sonnenergie = 277,778 Mrd. kWh
Biomasse
Gas
Solarstrom
2100
Anstieg: linear
Biomasse
Solarstrom
GDP
Verbrauch
1949 1980 1999
nicht allein Bruttosozialprodukt
USA: 1949-1999
Ė = N•(BSP/N)•(Ė/BSP)
N: Weltbevölkerung, BSP/N: Bruttosozialprodukt/Kopf Ė/BSP: Energieintensität Quelle: PNAS 103, 2006, 15729
Beispiel: Dow Chemical Company
Massives Delta!! Faktor 2!
Linearer AnstiegNaturgesetz?!!Nicht-Linearität!!
WissenschaftBelletristik
WeltenergieverbrauchP
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EJ/
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2000 2010 2020 2030 2040 2050
Jahr2100
Beitrag der Hamburger Forschungzur Lösung des Problems
Grundlagenforschung
AngewandteForschung
Produkt-entwicklung
Nach-haltigkeit
Hamburg – The Energyzing City"
Stiftungskolleg
Zusammenschluss: 5 Hochschulen und 2 außer- universitäre Einrichtungen (LOI)
Forschung und Lehre: Energiethemen "Hamburger Exzellenzinitiative"
Promotionsstipendien: 50-60 pro Jahr weltweite Rekrutierung der Talente
Teilnehmer: 80 Hamburger Arbeitsgruppen - Architektur/Stadtplanung - Biologie, Chemie, Physik - Ingenieurwissenschaften - BWL/VWL
Finanzierung: PPP-Modell - Industrie/Sponsoren & Hansestadt jeweils 1/3 - Einrichtungen und Wissenschaftler jeweils 1/6
Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City
1. Sponsor: Fa. Repower 50`000 €
Ziele
- weltweit führende Absolventen
- Start-Up Unternehmen (Satelliten)
@ - Hamburg an der Spitze des wichtig- sten Themas des 21. Jahrhunderts
Stiftungskolleg: Hamburg – The Energyzing City"
Wind Solar Bio/Org.-Masse
Energieeffizienz/-einsparung
Energieequellen
Energiewirtschaft
Prim
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[EJ/a
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Year2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100
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Year2000 2010 2020 2030 2040 2050 2100
Hochleistungs-batterietechnologie Wasserstoffspeicher
Wasser-Elektrolyse/Brennstoffzelle
Energiespeicherung
Neue Ideen für neue Märkte