Physikalisch-Chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien

Apl.-Prof. Dr. Sigurd Bauerecker, 0531/391-5336, s.bauerecker@tu-bs.de
Stand: 3. April 2013
Seminar im Rahmen der Vorlesung „Physikalisch-Chemische Grundlagen der
Erneuerbaren Energien“
Allgemein
- In Gruppen arbeiten
- Erschließen des Themas:
Physikalisch-chemische Grundlagen ist immer ein/der Schwerpunkt (!), wie funktioniert es im Prinzip,
wie ist das Thema/Prinzip/Methode/Technik/Verfahren einzuordnen, wie funktioniert es in der
Realität (technische und andere Aspekte kommen hinzu), Thema zunächst breit angehen, dann
einengen, Kriterien wie Potential, Effizienz, Machbarkeit, Kosten-Nutzen-Abschätzung
berücksichtigen, Vorlesungsskript und Literaturliste darin berücksichtigen, Abbildungen aus
Vorlesung stelle ich zur Verfügung, ev. können Bücher auch durch meine AG gekauft werden, …
- Literaturrecherche:
• Fachbücher über AG Bauerecker oder Universitätsbibliothek (Direktausleihe, Fernleihe),
• Fachartikel online: Scifinder, Scopus,
• Suchmaschinen wie Google, Ixquick, Clusty,
• Lexika wie Brockhaus, Encyclopedia Britannica, Wikipedia (kritisch nutzen!),
• Bitte Material zurück
Poster
- Erstellung mit Powerpoint, Photoshop (komplizierter), Impress (frei, OpenOffice, LibreOffice) oder
Gimp (frei, komplizierter). Ev. TU-Lizenz für Office. Hat jeder ein solches Programm?
- Poster werden in A4- oder besser A3-Format vor Vortrag verteilt. Nach Vortrag auch Kritik an
Postern. Dann Möglichkeit der Verbesserung. Gemeinsamer Ausdruck im A0- oder A1-Format im
Rechenzentrum. Ev. Ausstellung zur Absolventenfeier der Doktoranden der Lebenswissenschaften
(etwa Anfang Feb 2014). Ansonsten Aushang im Flur Institut.
Vortrag
- Dauer 30 min plus 15 min Diskussion (incl. Poster), ev. auch 20 + 10 min.
- Kriterien: • Tiefgründige, umfassende Recherche und Ausarbeitung, siehe auch oben, Geschichte
berücksichtigen • gut gewichtete Auswahl der Schwerpunkte insbesondere hinsichtlich der PC-
Grundlagen, • Verhältnis zu anderen Komponenten/Alternativen der Wasserstoffwirtschaft, •
vorsichtige, möglichst objektive und auch kritische Bewertung, • klare, logische, gut strukturierte
Darstellung in Bild und Sprache, • Vortrag.
- Erstellung mit Powerpoint oder Impress (Linux, OpenOffice, LibreOffice). Hat jeder ein solches
Programm? Hat jeder einen Rechner/Notebook?

Seminarthemen
Stand: 24.04.13
1. Windenergie Onshore, Offshore (Gitin, Gellermann)
- Motivation: Windenergie hat ein großes Potential und lässt sich wirtschaftlich gewinnen; ist über
die Elektrolyse vorteilhaft in eine Wasserstoffwirtschaft integrierbar
- Grundlagen, theoretisch (Betzsches Gesetz), technisch, Strömungstechnik
- Seewind-Nutzung (offshore)
- Landwind-Nutzung (onshore)
- Literatur: Kaltschmitt 2006, Quaschning 2008, Wosnitza 2012
2. Solarenergie Solarthermie (Le Vo Phuong), Photovoltaik (Loof)
- Motivation: Sonnenenergie besitzt ein großes Potential und lässt sich wirtschaftlich gewinnen
(Solarthermie); Photovoltaikstrom lässt sich über Elektrolyse vorteilhaft in eine Wasserstoffwirtschaft
integrieren, wodurch die Photovoltaik wirtschaftlicher würde; 70 % der Nutzenergie ist Wärme
- Photovoltaik, …, siehe Vorlesung, ...
- Solarthermie, Strom/Wasserstoff aus Photovoltaik und Parabolrinnen (Anasol)
- Kombination Wärmepumpen mit Solarthermie
- Literatur: Kaltschmitt 2006, Quaschning 2008, Wosnitza 2012
3. Wasserkraft
4. Wärmepumpen (xxx)
- Motivation: 70 % der Nutzenergie ist Wärme
- siehe Vorlesung
- auch Kombination Wärmepumpen mit Solarthermie
5. Elektrolyse (xxx, yyy)
- Motivation: Wichtige Technik, um zur Zeit nicht nutzbaren Wind- und Photovoltaik-Strom zu
speichern und damit besser zu nutzen; aufwändige Schattenkraftwerke vermeiden
- Physikalisch-chemische Grundlagen, Techniken, Effizienz, Wirkungsgrad, Abwärmenutzung,
- Anwendungen, Wirtschaftlichkeit, z.B. Investitionskosten (700 Euro/kWh?)
- Potential, neue Verfahren (z.B. Fallfilmelektrolyse), Ausblick
- thermische Dissoziation von Wasser bei T > 1700°C, z.B. in Solarlöfen; Einsatz von keramischen
Membranen, die nur H 2 durchlassen, Einsatz von Katalysatoren,
6. Biomasse als Energieträger (Biogas, BTL, Biomasse zu H2) (Bolze, Wagner)

- Motivation: Biomasse ist bereits heute die weitaus am stärksten genutzte regenerative
Energiequelle; in Kombination mit direkter thermochemischer Umwandlung in H 2 ist eine große
Effizienzsteigerung zu erwarten; Ertragssteigerungen bei Energiepflanzen sind zu erwarten,
- Grundlagen Photosynthese,
- Energiepflanzen, Potential, theoretisch maximaler Umsetzungsgrad der Sonnenenergie (10 %?),
allgemein, unter Aspekt thermochemische Umsetzung zu H 2
- Bioabfall, Potential
- Biogasanlage, Silierung, wasserhaltige Biomasse, Biomasse nur lagerfähig Wassergehalt zwischen …,
Kombination mit Steamreformer
- Biomasse zu Flüssigkeit (BtL)
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, Wosnitza 2012, …
7. Thermochemische H2-Erzeugung aus Biomasse / Steamreforming / andere Verfahren (Becker)
- Motivation: großes Potential der Biomasse besser nutzen, möglicherweise effizientestes und
güngstigstes Verfahren H 2 herzustellen, „wo soll der Wasserstoff langfristig herkommen?“
- Steamreforming zur Herstellung von Synthesegas allgemein, zugeschnitten auf Biomasse,
spezifische Vorteile (z.B. leichtere Vergasung) und Nachteile (Verglasung, Teerbildung) gegenüber
gängigen Verfahren wie Kohle- und Holzvergasung, Wirbelschichtreaktoren, allotherme und
autotherme Prozessführung, 850°C und 30 bar,
- Shift-Reaktor zur Umsetzung von CO + H 2 O zu H 2 + CO 2 ,
- Druck-Wechsel-Adsorption (Pressure-Swing-Adsorption PSA) zur Trennung von CO 2 und H 2 ,
- Wärmerückgewinnung, Gasreinigung
- Effizienz: Kaltgaswirkungsgrad (Verhältnis des Energieinhalts des „kalten“ Produktgases zum
Energieinhalt des eingesetzten Energieträgers wie Kohle, Biomasse), Gesamtumwandlungsgrad,
- Potential, Wirtschaftlichkeit,
- Andere: Reaktionen mit überkritischem Wasser (KIT), 700°C und > 200 bar, Pyrolyse,
Flugstromvergaser,
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, …
8. Vergleich Wasserstoffwirtschaft zu Stromwirtschaft (u.a. Effizienzvergleich Energietransport)
(Reinhold)
- Motivation: durch Einsatz der BZ-Technologie wird die dezentrale Stromversorgung bei hoher
Ausnutzung der Abwärme möglich, vorausgesetzt, günstiger Wasserstoff steht zur Verfügung
- Physik und Technik der Hochspannungsübertragung,
- Energetischer und kostenbasierter Effizienzvergleich,
- kann z.B. moderne HGÜ Effizienzvorteile bringen?
- Fernwärmenutzung, …
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, …
9. Umwandlung Methan → Wasserstoff, Wasserstoff → Methan (Wind zu Gas) (xxx)
- Motivation a): die Reformierung aus CH 4 ist zur Zeit das wichtigste Herstellungsverfahren für H 2 ; da
Erdgas gegenüber Strom günstig ist, lohnt sich wahrscheinlich die Umwandlung in H 2 und die
dezentrale Rückverstromung in lokalen Brennstoffzellen (bei Pipelinetransport).
- Motivation b): die Weiterverarbeitung von H 2 zu CH 4 lohnt sich wahrscheinlich weil das Erdgasnetz
und die Erdgasverbrauchstruktur uneingeschränkt nutzbar ist, so dass (Überschuss-)Windstrom und
Solarstrom besser genutzt werden kann (Windgas, Solarfuel),
- Schwerpunkt chemische Reaktionen und Technologien
- ev. auch für 2 Personen

10. Weitere H 2 -Herstellungs-Möglichkeiten (xxx)
- Photobiologische Herstellung mit Algen in Bioreaktoren unter Nutzung von Sonnenlicht, …
- über Biogasanlagen, insbesondere in Kombination mit 2. und 3. durch Nutzung von „edlem“
Presssaft aus Silage, der Vergärung um Faktor 4-10 beschleunigt, Presskuchen und Biogas können
getrennt effizienter zu H 2 über Steamreformer vergast werden, weil wegen geringerem Kaliumanteil
höhere Temperaturen genutzt werden können (Prof. Scheffer, Uni-Kassel)
- Literatur: Tetzlaff 2011
11. Brennstoffzellen Grundlagen (Servatka, Strer)
- Motivation: Brennstoffzellen können mit hohem Wirkungsgrad über 50 % elektrischen Strom
insbesondere aus H 2 und anderen Brennstoffen herstellen; insbesondere die dezentrale Anwendung
als Minikraftwerk unter hoher Nutzung der Abwärme erscheint aussichtsreich; bei Massenfertigung
sollten BZ relativ günstig werden; vielfältige Typen lassen hohe Anwendungsbreite zu, z.B.
Hochtemperatur-BZ,
- Elektrochemisches Grundprinzip, Typen, Einsatzmöglichkeiten, Wirkungsgrade, Ausblick,
Wirtschaftlichkeit,
- Typen AFC (Alkalische BZ, 80°C), DMFC (40°C), PEMFC (Polymermembran, 80°C), HT-PEMFC (180°C),
MCFC (Karbonatschmelze BZ, 600°C), SOFC (Festoxid BZ, 1000°C)
- Literatur: Geitmann 2004
12. Brennstoffzellen Anwendungen (Kraft-Wärme-Kopplung) (Weege)
- Motivation: Brennstoffzellen können mit hohem Wirkungsgrad über 50 % elektrischen Strom
insbesondere aus H 2 und anderen Brennstoffen herstellen; insbesondere die dezentrale Anwendung
als Minikraftwerk unter hoher Nutzung der Abwärme erscheint aussichtsreich; bei Massenfertigung
sollten BZ relativ günstig werden;.
- dezentrale Stromproduktion (Strom + Warmwasser), Massenproduktion, Wirtschaftlichkeit, Kosten
Platin, Palladium, Edelmetalle,
- Vergleich mit anderen Kraft-Wärme-Kopplungs-Systemen (VW-Lichtblick Touran-Gasmotor,
Senertec Dachs, …,)
- Anwendungen: Callux-Projekt, z.B. Fa. Vaillant
- Literatur: Geitmann 2004; Bericht Callux-Projekt „BZ-Praxistest Eigenheim“.
13. Neue elektrische Fahrzeugantriebe (Brennstoffzellen-H2-System, Elektrische Speicher) (Bax)
- Motivation: höhere Effizienz von BZ-Antrieben bei gleicher Leistung, keine Abgase außer H 2 O,
- Kombination mit elektrischen Energiespeichern wie Batterien, Supercaps,
- Energierückgewinnung aus Bremsen und Stoßdämpfer mit Radnabenmotoren,
- Schwungradspeicher,
- Anwendungen: Busse und Gabelstapler (Praxis), PKW (läuft gerade an)
- Literatur: Geitmann 2004, Eichlseder 2010
14. Geothermie (Garbowski)
- Literatur: Erneuerbare Energien BMU, 2012; Quaschning 2008

15. Sicherheit von Wasserstoff (xxx)
- Motivation: Kenntnis der Gefahrenpotentiale schafft Vertrauen in einen Energieträger; H 2 als
Energieträger wird teilweise in der Öffentlichkeit als gefährlich angesehen; manche bestehende
Vorurteile können teilweise objektiviert werden,
- Physikalische Grundlagen: Zündverhalten, Detonationsverhalten, Brennverhalten,
- Sicherheit von H 2 in Pipelines und Druckbehältern
- Historie: Hindenburgkatastrophe,
- Vergleich mit anderen Brennstoffen, Propan, CH 4 , Benzin, …
2. Rohrnetzsysteme
3. Druckspeicher