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Grundlagen der Brennstoffzellen- und...

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Folie 0, WBZU Vortrag 1 Grundlagen 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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Folie 0, WBZU

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)

Folie 1, WBZU

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

Folie 2, WBZU

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.

Folie 3, WBZU

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?

Folie 4, WBZU

„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?

Folie 5, WBZU

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?

Folie 6, WBZU

Wasserstoff als Energieträger

Teil 1:Was ist Wasserstoff?

Merke:

Wasserstoff ist ein Energieträger – keine

Energiequelle!

Folie 7, WBZU

Zukunft ?

Teil 1:Warum Wasserstoff?

- Die fossilen Energiequellen sind begrenzt

- Treibhauseffekt

- Ozonloch

- Luftschadstoffe

- Grenzen des Wachstums

Warum brauchen wir eine Wasserstoffwirtschaft?

Folie 8, WBZU

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?

Folie 9, WBzU

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?

Folie 10, WBzU

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?

Folie 11, WBZU

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?

Folie 12, WBZU

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?

Folie 13, WBZU

3. Wirkungsgrad und Aufbau einer Brennstoffzelle

Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau

Folie 14, WBZU

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

Folie 15, WBZU

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

Folie 16, WBZU

Und wie sieht die Praxis aus ?

Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau

Folie 17, WBZU

Aufbau und Funktionsprinzip

Teil 3:Wirkungsgrad und Aufbau

Folie 18, WBZU

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

Folie 19, WBZU

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

Folie 20, WBZU

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

Folie 21, WBZU

Teil 4. Brennstoffzellen-Typen

AFC

PEFC

DMFC

PAFC

MCFC

SOFC

Teil 4:Brennstoffzellen Typen

Folie 22, WBZU

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

Folie 23, WBZU

Weitere Infos zu den Typen

www.wbzu.de

Teil 4:Brennstoffzellen Typen

Folie 24, WBZU

Teil 5: BZ-Anwendungen

Teil 5:Brennstoffzellen Anwendungen

Folie 25, WBZU

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

Folie 26, WBZU

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

Folie 27, WBZU

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

Folie 28, WBZU

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

Folie 29, WBZU

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

Folie 30, WBZU

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

Folie 31, WBZU

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

Folie 32, WBZU

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

Folie 33, WBZU

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

Folie 34, WBZU

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


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