Wasserstoffwirtschaft - Zusammenfassung

• - ungiftig und nicht reizend
• - umweltneutral, nicht wassergefährdend
• - geruchlos
• - geschmacksneut ral
• - unsichtbar, fast unsichtbare Flamme (UV)
• - flüchtig, leichter als Luft
• - entweicht durch kleinste Öffnungen
• - versprödende Wirkung auf einige Materialien
• - nicht korrosiv
• - nicht radioaktiv
• - nicht krebserzeugend

• HU = 119,97 MJ/kg
• HO = 141,80 MJ/kg

• Pyrolyse von Biomasse
• regenerativer Energie
• alkoholische Prozesse
• Kohlevergasung
• Photosynthese (Algen)
• Dampfreformierung (Öl/Erdgas)
• Oxidierung von Metall

• < 0,01 %/a
• sinnvoll ab 10^6 Nm^3 bei 5 MPA

T_SZ = 585°C

• Wasserstoffwirtschaft = System der Energieversorgung, das mit Wasserstoff als handelbaren Energieträger arbeitet
• Wasserstoffenergietechnik = Summe der technischen Ausrüstungen zur Realisierung einer Wasserstoffwirtschaft

• Kyrospeicher
• Druckspeicher: 70 MPa

• 1. mit Hochdruckpumpe: Pumpe transportiert LH2, vor Kfz-Tank wird LH2 aufgewärmt
• 2. mit Konditioniertank: ein Teil des LH2 verdampft in einem Tank und baut so einen Druck auf, CGH2 wird in Mehr-Bank-system zwischengespeichert
• 3. mit Booster-Kompressor: H2 wird flüssig gepumpt, gasförmig zwischengespeichert und mit Booster in Tank gefüllt
• *LCGH2 = liquid-compressed-gas-hydrogen

• Kosten für LCGH2 (liquid-compressed-gas-hydrogen) liegen über den Kosten von CGH2
• --> d.h. Flüssigwasserstoff an der Tankstelle wäre nur sinnvoll, wenn Doppelnutzung von LCGH2 und LH2

• Vollständige autonome Vollversorgung übers Jahr NICHT möglich
• erforderlich sind Speicherkapazitäten: 30400 MW für kurzfristiges Abfangen von Spitzen
• die maximal abzufangende Überschussleistung beträgt 133000 MW
• stündliche Überschüsse > stündliche Defizite
• die maximale Defizitleistung beträgt -62000 MW
• ==> Speichersysteme im Bereich 30...40 TWh benötigt

• kinetische Energiespeicher (Schwungrad < 1 h)
• chemische Energiespeicher (Batterie 1 h - 1 Monat, H2 > 1 Tag)
• potenzielle Energiespeicher (Pumpspeicher  > 1 h)
• elektrische Energiespeicher (Kondensator < 1 h, geringe Energiemenge)

• Elektrolyseur-Stack
• Separatoren (Wasserstoff und Sauerstoff)
• Demister (= Entfeuchter) (Wasserstoff und Sauerstoff)
• Elektrolytkreislauf
• Stromversorgung (Transformator, Gleichrichter)
• Steuerung
• periphere Anlagenkomponenten (Kühlkreislauf, Speisewasseraufbereitung)

Gesamtsysteme, welche den Wasserstoff mit Gestehungskosten von kleiner als 3€/kg erzeugen (der Energieinhalt von 1 kg Wasserstoff entspricht dem von 3,78 l Benzin)

• Minimierung der erforderlichen Zellspannung durch:
• - Temperaturerhöhung und/oder Druckerhöhung
• - Verringerung der inneren elektrischen Widerstände

• 
• Fazit: Die Energie, die schon durch Wärme zugeführt wurde, muss nicht mehr durch Elektroenergie zugeführt werden

ca. 4,8 kWh

• 3 MPa
• Die Gase sind frei von CO, CO2, CH4 sowie von Schwefel- und Chlorverbindungen

• T = 900°C
• Ein Teil der erforderlichen Energie wird in Form von Wärme zugeführt
• Dadurch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad, da Wärme nicht erst in EE umgewandelt werden muss
• Neue Anforderungen an Materialien und Technologien

Bei der verwendeten Platinmenge. Die Kosten für das Platin machen ca. 1/3 der Gesamtkosten aus --> muss reduziert werden

Eine Heat Pipe ist eine Vorrichtung zum Wärmetransport mittels eines internen thermodynamischen Kreisprozesses

Ein AMTEC (= alkali metal thermo electrical converter) ist ein thermo-chemisches System, das einen Wärmestrom direkt in einen elektrischen Strom umwandelt

• Klimawandel durch Solareffekt
• 1. Die Sonnenflecken produzieren Protonenströme
• 2. Die Protonenströme reduzieren die kosmische Strahlung und damit die Höhenstrahlung; durch die Verstärkung des äußeren Erdmagnetfeldes
• 3. Reduzierung der Höhenstrahlung bedeutet Reduzierung der heterogenen Bewölkung
• 4. reduzierte Bewölkung bedeutet Zunahme der Sonneinstrahlung
• 5. Zunahme der Sonneneinstrahlung bedeutet Zunahme der Temperatur
• ==> bei Rückgang der Sonnenflecken Rückgang der Temperatur

• gravimetrische Speicherdichte Sg = Masse H2/(Masse Behälter + Masse Peripherie + Masse H2) in %
• volumetrische Speicherdichte Sv = Masse H2/(äußeres Volumen Behälter + Volumen Peripherie) in kg/l

• 1. synthetisch einfach erzeugbar sein, nach Möglichkeit unter Nutzung regenerativer Energien
• 2. in unbegrenztem Maß zur Verfügung stehen oder zumindest recycelbar sein
• 3. gefahrlos transportierbar sein und die Energie permanent speichern
• 4. eine hohe Energiedichte aufweisen
• 5. in hoch-technisierten Ballungszentren kein Kohlendioxid freisetzen
• 6. nach Möglichkeit verwertbare Verbrennungsprodukte liefern

• Dichte --> freigesetzter Wasserstoff steigt stets nach oben (Belüftung erforderlich)
• Diffusionskoeffizient --> Wasserstoffmoleküle diffundieren in Luft sehr schnell; Wasserstoffatome diffundieren in Materialien ein -> viele Materialien verspröden durch Wasserstoff
• Explosionsgrenze in Luft --> weite Zündgrenzen bei niedriger Zündenergie ; > 4% Wasserstoff in Luft -> Gemisch kann sich entzünden

Eine Deflagration (von lat. deflagrare, etwa „abbrennen“) ist ein schneller Verbrennungsvorgang, bei dem der Explosionsdruck nur durch die entstehenden und sich ausdehnenden Gase hervorgerufen wird. Die Fortpflanzung geschieht durch die bei der Reaktion freiwerdende Wärme, anders gesagt erfolgt die Zündung des unverbrannten Gemisches durch Aufheizung des Gemisches in der Flammenfront. Bei einer Deflagration liegt der Verbrennungsdruck (in Luft unter atmosphärischen Ausgangsbedingungen) zumeist in der Größenordnung von 1 MPa, kann jedoch abhängig vom Brennstoff höher sein. Die Verbrennung verläuft mit einer Geschwindigkeit, die kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit im verbrennenden Medium.

Bei höheren Geschwindigkeiten spricht man von einer Detonation, wobei sich der Verbrennungsmechanismus von der Aufheizung des unverbrannten Gemisches zur stoßwelleninduzierten Verbrennung wandelt. Detonationen in Rohrleitungen können Drücke zur Folge haben, die die Explosionsdrücke bei Deflagrationen um ein ↑ielfaches übersteigen. Bei der Detonation überlagern sich die Druckwellen und die, bei der Explosionsreaktion entstehende, temperaturbedingte ↑olumenausdehnung.

• ermöglicht die Nutzung von “Überschussstrom” aus regenerativen, fluktuierenden Energiequellen
• --> D.h. diese Prozesskombinationen können in Verbindung mit Wärmespeichersystemen das Problem der Fluktuation regenerativer Elektroenergie-Bereitstellung mildern

• Vorteile:
• BS-Gewicht um Faktor 2,8 niedriger als Kerosin
• kleinere Motoren aufgrund höheren Brennwerts (komfortabler weil leiser)
• besserer Kühleffekt --> längere Laufzeit
• Nachteile:
• wesentlich größerer Tank benötigt (12x größeres Tankvolumen)

• Vorteil:
• etwas höhere volumetrische Speicherdichte als bei LH2
• Nachteile:
• geringe massenspezifische Speicherdichte (< 5%Gew)
• hohes Gewicht und hohe Kosten für Materialien
• langsames Befüllen, da exotherme Reaktion
• Einsatz: U-Boote und überall, wo Volumen wichtiger als Gewicht
• Metalle: Mg, Al, Seltene Erden

• H2 chemisch an Metall gebunden < 1 % Selbstentladung pro Jahr
• werden Hydride mit H2O vermischt, geben sie H2 ab
• Vorteil:
• etwas höhere volumetrische Speicherdichte als bei LH2
• Nachteile:
• geringe massenspezifische Speicherdichte (< 5%Gew)
• hohes Gewicht und hohe Kosten für Materialien
• langsames Befüllen, da exotherme Reaktion
• Einsatz: überall, wo Volumen wichtiger als Gewicht, militär. Einwegspeicher

kommen durch den raschen Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit bei höheren Temperaturen zustande. Wenn bei einer exothermen Reaktion Energie nicht abfließen kann, steigt die Temperatur des Systems und bewirkt eine Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit. Das kann wiederum die Temperaturerhöhung beschleunigen usw. bis zur Detonation

Von einer Kettenverzweigungs-Reaktion sprechen wir, wenn im Verlaufe einer Reaktion die Anzahl der Radikale durch Verzweigungsreaktionen zunimmt, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit steigt und die Reaktion sich zur Explosion entwickelt

• passive Gegenmaßnahmen: Lüften
• aktive Gegenmaßnahmen: Rekombinatoren (katalytische Verbrennung); piezo-elektrische Zünder