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Wasserstoff als EnergiespeicherVorkommen, Darstellung und Nutzung
Prof. Dr. Michael Fröba
Institut für Anorganische und Angewandte Chemie
Universität Hamburg
02.07.2014 Mitgliederversammlung, Wasserstoff-Gesellschaft Hamburg
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Endenergieverbrauch
Peta = 1015 = Billiarden; 1 kWh = 3600 Kilojoule (kJ)
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013.
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Bruttostromerzeugung aller Kraftwerke
Tera = 1012 = Billionen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013.
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Bruttostromerzeugung aus EE
Tera = 1012 = Billionen
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013.
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Stromerzeugungskapazitäten
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Energie in Deutschland 2013.
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Energiespeicher
chemisch
Methanol
Ethanol
Ammoniak
Carbazol
Energiespeicher
konventionell
Super-kondensator
Kondensator
Wasser/Wasserstoff
elektro-chemisch
BatterieRedoxflusszelleBrennstoff-/
Elektrolysezelle
Blei
Nickel/Cadmium
Lithium
Natrium/Schwefel
Metallhydrid
Natriumpolysulfid/-bromid
Vanadium
Zink/Brom
Zink/Cer
…
……
thermisch
Salzschmelze
Latentwärme-speicher
mechanisch
Wasser
PumpspeicherSpeicherstoffe
CAES
AA-CAES
SchwungradElektro-
magnetisch
Spulen
SMES
CAES = Compressed Air Energy Storage
AA-CAES = Advanced Adiabatic CAES
SMES = Superconducting magnetic
energy storage
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Wasserstoffspeicherung
fl.-H2
(-253 oC)
gasf.-H2
(300-700 bar)Metallhydride
Nanoporöse
Materialien
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Wasserstoffzyklus
Heute:
Fossile Energieträger
Zukunft:
Regenerative Energien
Heute:
Konventionell
Zukunft:
Chemisch
Heute:
Verbrennung &
Brennstoffzelle
Zukunft:
Brennstoffzelle
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Warum Wasserstoff?
� Sauberer Energieträger
bildet bei der Verbrennung/Brennstoffzelle nur Wasser + (Wärme/Strom)
produziert keine giftigen Abgase/Treibhausgase
� Hoher Energieinhalt
Steinkohle 30 MJ/kg
Benzin 43 MJ/kg
Methan 50 MJ/kg
Wasserstoff 120 MJ/kg
� Automobil
für 400 km Reichweite benötig man
Verbrennungsmotor: 24 kg Benzin oder
8 kg Wasserstoff
Elektroauto (Brennstoffzelle): 4 kg Wasserstoff Daimler
O2 + 2H2 → 2H2O
DAIMLER
Ab 2016 auf dem Markt
400 km Reichweite, 136 PS, 170 km/h Spitzengeschwindigkeit
3,3 l Kraftstoff/100 km (Dieseläquivalent)
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Brennstoffzellen – Prinzip
mechanische Energie
thermische Energie
elektrische EnergieGenerator
AKW
z.B. KKW
chemische Energie
Turbine Fuel Cell
Verbrennung
Photovoltaik
Geothermie
Solarthermie
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Wasserstoff
� 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
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� 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)
Wasserstoff
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� 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).
Wasserstoff
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� 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
Wasserstoff
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Wasserstoff
� 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
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� 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
Herstellung von Düngemitteln ("Stickstoffdünger")
- Produktion weltweit ca. 120 Millionen Tonnen pro Jahr
Verwendung von Ammoniak
Haber-Bosch-Verfahren
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Wasserstoffzyklus
Heute:
Fossile Energieträger
Zukunft:
Regenerative Energien
Heute:
Konventionell
Zukunft:
Chemisch
Heute:
Verbrennung &
Brennstoffzelle
Zukunft:
Brennstoffzelle
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Energiequellen zur Spaltung von Wasser
W. Schnurnberger (DLR), H.
Janßen (FZJ), U. Wittstadt
(Fraunhofer ISE), Wasser
spaltung mit Strom und
Wärme, FVS Themen (2004).
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Woher 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)
� Speicherung des Stroms in Form des sekundären Energieträgers Wasserstoff
2H2O → O2 + 2H2
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Woher 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
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EE-Quellen und Verfahren zur Wasserspaltung
W. Schnurnberger (DLR), H. Janßen (FZJ), U. Wittstadt (Fraunhofer ISE), Wasser spaltung mit Strom und Wärme, FVS Themen (2004).
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Zukunft/Vision für 2025
� Mercedes F125!
� Karosserie
� Carbon-Kohlestofffasern,
Aluminium und hochfeste Stähle
� Elektroantrieb
� vier Elektromotoren
� Energiespeicherung
� 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
64. IAA, 2011
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Wasserstoff - 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!
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Wasserstoff 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
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Wasserstoff 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