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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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Primärenergieträger

� Mögliche künftige Versorgung

Kraftstoff zu Strom

Strom zu Kraftstoff

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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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Energieversorgung

Smart gridErzeugung Verbrauch

Speicherung

H2

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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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“Windwasserstoff”

© Hamburg Messe und Congress GmbH

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Speichertechnologien

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Wasserstoffspeicherung

fl.-H2

(-253 oC)

gasf.-H2

(300-700 bar)Metallhydride

Nanoporöse

Materialien

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Energieträger im Vergleich

� Energiedichten

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Energieträger im Vergleich

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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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Brennstoffzelle

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Brennstoffzellentypen

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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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Entdeckung der Elemente (Zeiträume)

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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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� Verwendung

Wasserstoff

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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

Grafik: ENEA – Ente per le Nuove Tecnologie, l‘Energia at l‘Ambiente, Italien

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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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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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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

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Kraft-Wärme-Kopplung