Wir kommen nicht an Wasserstoff vorbei!
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Sehr informativ!
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Was immer wir über Batterien und ihren hohen Wirkungsgrad denken, wir brauchen Wasserstoff. Sowohl als Brennstoff im Transport als auch als Ersatz für Kohle als Reduktionsmittel.
SELTSAMER RICHARD VALMOT 9. JANUAR 2021 - 21:48
Die Begeisterung für Wasserstoff als CO 2 -freien Kraftstoff hat immer wieder zugenommen. In den späten neunziger Jahren waren sich alle einig, dass Elektrofahrzeuge, die über Brennstoffzellen mit Wasserstoff betrieben werden, die Zukunft sind. Sowohl Daimler (Mercedes) als auch General Motors kündigten ab 2003 die Massenproduktion von Wasserstoffautos an. Dann gab es aber noch die Lithiumbatterie. Sie lernten, es immer billiger zu produzieren und unter der Führung von Tesla hatten die Elektroautos eine größere Reichweite. Dann war die Wasserstoffzukunft nicht mehr so offensichtlich.
Aber unser leichtestes Element ist nicht vom Energieradar verschwunden, obwohl Autos und viele Transporter offensichtlich mit Batterien fahren sollten. Fahrzeuge, die schwer sind und noch einen langen Weg vor sich haben, haben keine fossilfreien Alternativen, wenn wir Biokraftstoffe nicht berücksichtigen.
Geringes Gewicht - aber auch großes Volumen
Dies hat einfach mit dem Gewicht des Energiespeichers zu tun. In Batterien wiegt der Brennstoff, dh die Elektronen, nichts, aber die Materialien, die zur Speicherung der Elektronen benötigt werden, wiegen viel. Wasserstoff selbst wiegt auch sehr wenig. Hier wiegen die Brennstoffzellen und Lagertanks am meisten, sind aber insgesamt viel leichter als Batterien.
In einem großen Anhänger, der 40-50 Meilen auf einer Mülldeponie fahren wird, ist das Gewicht des Antriebssystems bereits heute geringer, wenn es mit Wasserstoff als mit Diesel betrieben wird. Mit anderen Worten, der Wasserstoff-LKW kann etwas mehr Last aufnehmen als die Dieselversion. Dies hängt davon ab, ob an Bord Platz ist. Denn ein Wasserstofftank wird auch bei hohem Druck sehr groß. Im Vergleich zu Diesel haben die Wasserstofftanks bei gleicher Reichweite ein fünf- bis zehnmal größeres Volumen.
In einem batterieelektrischen Anhänger wiegen die Batterien so viel, dass die Fähigkeit, Fracht zu transportieren, stark beeinträchtigt wird. Das Aufladen der riesigen Batterie dauert ebenfalls lange, während ein wasserstoffbetriebener Anhänger in 10 bis 15 Minuten gefüllt werden kann. In kleinen Autos füllt Wasserstoff eine unverhältnismäßige Menge, wodurch der verfügbare Platz für Personen und Fracht verringert wird. Je größer das Fahrzeug ist, desto mehr Volumen steht für den Energiespeicher zur Verfügung, wie wir z. schon gewohnt mit gasbussen mit tanks auf dem dach zu sehen. Das Gewicht des Fahrzeugs beeinflusst den Energieverbrauch erheblich. Wenn Sie in die Luft steigen, ist es entscheidend, dass das Antriebssystem ein geringes Gewicht hat. Aber zuerst zur bekannten Modeerscheinung:
Effizienz
Der Reiz, den viele Menschen für Wasserstoff haben, ist die Effizienz. Es gibt einen Energieverlust, wenn H 2 sowohl durch Elektrolyse als auch aus Erdgas hergestellt wird und wenn Wasserstoff in der Brennstoffzelle komprimiert, transportiert und schließlich wieder in Elektrizität umgewandelt wird. Insbesondere ist es energieintensiv, flüssigen Wasserstoff zu produzieren, der in Flugzeugen, Schiffen und im Ferntransport eingesetzt wird.
Aber manchmal ist der Strom frei. Je mehr Wind- und Sonnenenergie wir entwickeln, desto mehr Zeiträume (Tage, Wochen und Monate) ist es schwierig, sie loszuwerden. Vielleicht nicht besonders in Norwegen, wo wir den Wasserkraftkran einfach ausschalten können, aber eine solche Speicherung ist im Rest der Welt nicht üblich. Dann ist es ratsam, Wasserstoff produzieren zu können. Und wenn der Strompreis niedrig ist, wird auch Wasserstoff billig.
Durch Elektrolyse kann ein Wirkungsgrad von weit über 90 Prozent erreicht werden, in der Praxis liegt er jedoch bei alkalischen Hochdruckelektrolyseanlagen bei 70 bis 80 Prozent.
Wenn das Gas komprimiert werden soll, wird auch Energie benötigt. Etwa 10% des Energiegehalts des Wasserstoffgases werden verwendet, wenn es auf 700 bar komprimiert werden soll, was dem in Personenkraftwagen verwendeten Druck entspricht.
Die Kühlung erfordert mindestens 30 Prozent
Wenn Wasserstoff verflüssigt werden soll, ist er sehr energieintensiv. Beim Abkühlen von Wasserstoff auf 20 K (-253 ° C) gehen derzeit mindestens 30 Prozent des Energiegehalts verloren. Aber SINTEF hat unter anderem in Zusammenarbeit mit Shell gezeigt, dass dieser Energieverlust auf rund 15% reduziert werden kann.
Eine Brennstoffzelle kann auch einen guten Wirkungsgrad aufweisen. Der elektrische Wirkungsgrad kann über 60 Prozent betragen, jedoch nur bei geringer Last. Je mehr die Zelle geladen ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad, da die ohmschen Verluste wie bei Batterien zunehmen. Andererseits erzeugt die Brennstoffzelle Wärme, die in einigen Zusammenhängen genutzt werden kann, z. Transportmittel zu heizen und die Reichweite auch in kalten nordischen Klimazonen zu halten. Die Gesamtenergienutzung (Strom plus Wärme) kann somit unter optimalen Bedingungen 80-90 Prozent erreichen.
Es ist auch möglich, überschüssige Wärme zum Kühlen unter Verwendung eines Wärmedifferentials zu verwenden.
In einigen Kontexten kann es rentabel sein, Brennstoffzellen mit einer großen Kapazität zu haben und diese mit einer geringen Last zu betreiben, um so einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Was rentabel ist, hängt vom Preis der Brennstoffzellen ab, die bei geringem Produktionsvolumen immer noch hoch sind.
Obwohl der Wirkungsgrad bei Verwendung von Brennstoffzellen geringer ist als bei Batterien, ist dies für einige Anwendungen die einzige Option für emissionsfreie Produkte. Der Vorteil ist, dass Wasserstoff in Verkehrssegmenten, in denen Batterien nicht ausreichen, keine Emissionen verursachen kann.
Komprimiert oder flüssig
Wasserstoff ist der Kraftstoff mit dem höchsten Energiegehalt pro Gewichtseinheit, etwa dreimal höher als Diesel. Wenn Gase komprimiert werden, verhalten sie sich nicht unbedingt linear, wie man denkt. Auch in diesem Bereich ist Wasserstoff ein Spezialgas. Wenn der Druck in einem Wasserstofftank verdoppelt wird, erhalten Sie nicht doppelt so viel Wasserstoff. Und wenn Sie sich mit Wasserstoff füllen und sich das Gas beim Einströmen in den Tank ausdehnt, steigt die Temperatur, ganz im Gegenteil zu allen anderen Gasen. Dies ist der Grund, warum Sie den Wasserstoff auf minus 40 Grad abkühlen müssen, bevor er bei Personenkraftwagen mit einem Speicherdruck von 700 bar eingefüllt wird.
Für einige Anwendungen ist es zweckmäßig, Wasserstoff in flüssiger Form zu verwenden. Diese Lösung wurde unter anderem als Treibstoff für den Start der Space Shuttles verwendet. In Bezug auf das Volumen ist der Energiegehalt von Wasserstoff dagegen viel niedriger als bei Diesel. Der Energiegehalt eines Liters flüssigen Wasserstoffs beträgt nur einen Viertel Liter Diesel. Komprimiertes Wasserstoffgas mit einem Druck von 350 bar nimmt bei gleicher Energiemenge 12-mal mehr Platz ein als Diesel. Selbst bei einem Druck von 700 bar füllt Wasserstoff ein Volumen, das 7-8 mal höher ist als Diesel. Der Wasserstofftank des Toyota Mirai der ersten Generation (700 bar) hat 122 Liter und bietet eine Reichweite von rund 500 km.
Lagerung in Metallhydriden
Eine Alternative zur Speicherung von Wasserstoff in komprimierter oder flüssiger Form besteht darin, das Gas in Metallhydriden zu speichern. Es gibt verschiedene Metalllegierungen, die mit Wasserstoff chemische Verbindungen bilden. In solchen Verbindungen werden die Elektronen im Gas vom positiven Kern (dem Proton) abgestreift, der Teil des Metallgitters wird. Die Protonen sind von den vielen Elektronen des Metalls umgeben und werden von ihnen angezogen. Dies bedeutet, dass Sie Wasserstoff in Metallhydriden fester verpacken können als wenn das Gas flüssig ist, aber Sie erhalten das Metallgewicht beim Kauf. Das Metall wirkt ähnlich wie ein Schwamm, macht aber an sich mehr als 96% des Gesamtgewichts aus.
Metallhydride können eine effiziente und energiesparende Methode zur Speicherung von Wasserstoff sein, erfordern jedoch einige zusätzliche Geräte wie Tanks für einen Betriebsdruck von etwa 10 bar, Umwälzpumpen, Wärmetauscher und Ventile, um das Gas ein- und auszulassen.
Die Lagertechnologie eignet sich gut für Gabelstapler, Boote und in anderen Bereichen, in denen das Gewicht nicht so wichtig ist.
Schweres Fahrzeug
Der Volumenbedarf für Wasserstoff wird mit kompakten Elektromotoren teilweise kompensiert, aber dennoch: Das Volumen des Motorsystems in einem Wasserstofftruckwagen (Wasserstofftank + Brennstoffzellen + Elektromotoren) wird schnell ziemlich größer als das in einem Diesel-LKW (Dieseltank + Verbrennungsmotor + Getriebe), um die gleiche Reichweite zu erzielen. Das Gewicht ist dagegen geringer als bei einem dieselbetriebenen LKW.
Maritime Antriebe
Nicht nur bei großen Fahrzeugen, die weit fahren, ist Wasserstoff ein geeigneter Kraftstoff. Während Batterien eine ausgezeichnete Lösung für kleinere Schiffe mit einer kurzen Betriebszeit zwischen dem Laden und moderaten Geschwindigkeiten sind, eignet sich Wasserstoff auch für größere Schiffe mit längeren Verbindungen und höheren Geschwindigkeiten. Bei längeren Schnellbootverbindungen wie Trondheim - Kristiansund (3 Stunden) wiegt ein Antriebssystem auf Wasserstoffbasis nur ein Viertel des Gewichts eines batterieelektrischen Systems.
Fliege weit
Das Fliegen kurzer Strecken mit kleineren Passagierflugzeugen ist mit Batterien durchaus möglich. Vor allem, wenn Sie am Flughafen die Batterien wechseln. Es kann eine ideale Lösung für das norwegische Kurzstreckennetz sein.
Bei größeren Flugzeugen, die länger fliegen, ist Wasserstoff die beste emissionsfreie Lösung. Der Flugzeughersteller Airbus hat erklärt, dass die fossilfreie Luftfahrt der Zukunft mit Flugzeugen in mittleren Entfernungen wasserstoffbetrieben ist. Sie sehen Hybridsysteme vor, bei denen die Lüfter im Motor sowohl elektrisch als auch mit Wasserstoff betrieben werden können, der in Turbinen verbrannt wird. Das Flugzeug wird einen verlängerten Rumpf mit einem Vorrat an flüssigem Wasserstoff am Heck haben. Die Flügel werden keine Gedanken haben und viel schlanker sein. Daher kann das Flugzeug aerodynamischer sein als die heutigen fossil angetriebenen.
Die Flugzeuge werden Brennstoffzellen haben, die die Elektromotoren mit Strom versorgen. Durch die Möglichkeit des elektrischen und Wasserstoffbrennbetriebs kann je nach Wirkungsgrad optimiert werden. Sie können kleinere Hybridmotoren haben, bei denen beide Systeme während des Starts arbeiten, oder Sie können Systeme mit größeren Elektromotoren haben, die in Reiseflughöhe vollständig übernehmen.
Mehrere Methoden
Wie umweltfreundlich Wasserstoff ist, hängt davon ab, woher das Gas kommt. In vielen Ländern ist H 2 ein industrielles überschüssiges Gas und folglich praktisch «frei». In Herøya gibt es große Mengen solchen Industriegases, was dem Wasserstoffbedarf von 100.000 Personenkraftwagen entspricht. Dies wird heute als Brenngas zur Nutzung der Wärme verwendet.
Reformierung von Methan Der
größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion ist grau und erfolgt über die Reformierung von Erdgas. Es wird nicht als nachhaltig angesehen, solches Gas zu verwenden, wenn Sie mit dem verbleibenden CO 2 nichts anfangen . Es ist jedoch einfacher, größere Mengen an CO 2 früh in der Wertschöpfungskette zu handhaben , als CO 2 aus vielen hunderttausenden Auspuffrohren zu sammeln .
Reformierung mit CCS
Was als «blauer Wasserstoff» bezeichnet wird, ist Wasserstoff, der aus Erdgas reformiert wird und bei dem CO 2 mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) gehandhabt wird. Eine großartige Gelegenheit für die Weiterverarbeitung von Erdgas in Norwegen gemäß den politischen Richtlinien, die wir in Europa sehen.
Reform der Kohle mit CCS
Es ist auch möglich, Wasserstoff aus Kohle zu gewinnen. Oft ist in Kohle so viel Wasserstoff wie Kohlenstoff enthalten. Die amerikanische Idee von "sauberer Kohle" besteht darin, den Wasserstoff zu extrahieren und den verbleibenden Kohlenstoff zu verbrennen. Auf diese Weise wird das Abgas viel CO 2 -reicher und kann leichter in stabile Formationen injiziert werden.
Aus Elektrizität durch Elektrolyse
"Grüner Wasserstoff" wird dadurch definiert, dass er aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird. Und da es sich um eine emissionsfreie Lösung handelt, ist dies sehr wichtig für das Klima und die Umwelt, solange es nicht um bessere Möglichkeiten zur Stromnutzung geht.
Je mehr erneuerbare Energie wir erhalten (in Ländern ohne große Wasserkraftspeicher), desto häufiger stellen wir fest, dass es keinen Markt für Strom gibt. Dann ist es sinnvoll, Wasserstoff zu produzieren, der Transportlösungen antreiben und Kohle in industriellen Prozessen als Reduktionsmittel ersetzen kann.
Quellen: Forschungsdirektor bei Sintef mit einem Doktortitel in Brennstoffzellen, Steffen Møller-Holst und Chefforscher bei Sintef Materials Physics und Professor II am Institut für Physik der UiO, PhD. Ole Martin Løvvik. Der Artikel wurde erstmals im Papiermagazin 10/2020 von Teknisk Ukeblad veröffentlicht.
https://www.tu.no/artikler/...t-vi-kommer-ikke-utenom-hydrogen/504859
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