Physikalisch-Chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien
Physikalisch-Chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien
Physikalisch-Chemische Grundlagen der Erneuerbaren Energien
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Apl.-Prof. Dr. Sigurd Bauerecker, 0531/391-5336, s.bauerecker@tu-bs.de<br />
Stand: 3. April 2013<br />
Seminar im Rahmen <strong>der</strong> Vorlesung „<strong>Physikalisch</strong>-<strong>Chemische</strong> <strong>Grundlagen</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Erneuerbaren</strong> <strong>Energien</strong>“<br />
Allgemein<br />
- In Gruppen arbeiten<br />
- Erschließen des Themas:<br />
<strong>Physikalisch</strong>-chemische <strong>Grundlagen</strong> ist immer ein/<strong>der</strong> Schwerpunkt (!), wie funktioniert es im Prinzip,<br />
wie ist das Thema/Prinzip/Methode/Technik/Verfahren einzuordnen, wie funktioniert es in <strong>der</strong><br />
Realität (technische und an<strong>der</strong>e Aspekte kommen hinzu), Thema zunächst breit angehen, dann<br />
einengen, Kriterien wie Potential, Effizienz, Machbarkeit, Kosten-Nutzen-Abschätzung<br />
berücksichtigen, Vorlesungsskript und Literaturliste darin berücksichtigen, Abbildungen aus<br />
Vorlesung stelle ich zur Verfügung, ev. können Bücher auch durch meine AG gekauft werden, …<br />
- Literaturrecherche:<br />
• Fachbücher über AG Bauerecker o<strong>der</strong> Universitätsbibliothek (Direktausleihe, Fernleihe),<br />
• Fachartikel online: Scifin<strong>der</strong>, Scopus,<br />
• Suchmaschinen wie Google, Ixquick, Clusty,<br />
• Lexika wie Brockhaus, Encyclopedia Britannica, Wikipedia (kritisch nutzen!),<br />
• Bitte Material zurück<br />
Poster<br />
- Erstellung mit Powerpoint, Photoshop (komplizierter), Impress (frei, OpenOffice, LibreOffice) o<strong>der</strong><br />
Gimp (frei, komplizierter). Ev. TU-Lizenz für Office. Hat je<strong>der</strong> ein solches Programm?<br />
- Poster werden in A4- o<strong>der</strong> besser A3-Format vor Vortrag verteilt. Nach Vortrag auch Kritik an<br />
Postern. Dann Möglichkeit <strong>der</strong> Verbesserung. Gemeinsamer Ausdruck im A0- o<strong>der</strong> A1-Format im<br />
Rechenzentrum. Ev. Ausstellung zur Absolventenfeier <strong>der</strong> Doktoranden <strong>der</strong> Lebenswissenschaften<br />
(etwa Anfang Feb 2014). Ansonsten Aushang im Flur Institut.<br />
Vortrag<br />
- Dauer 30 min plus 15 min Diskussion (incl. Poster), ev. auch 20 + 10 min.<br />
- Kriterien: • Tiefgründige, umfassende Recherche und Ausarbeitung, siehe auch oben, Geschichte<br />
berücksichtigen • gut gewichtete Auswahl <strong>der</strong> Schwerpunkte insbeson<strong>der</strong>e hinsichtlich <strong>der</strong> PC-<br />
<strong>Grundlagen</strong>, • Verhältnis zu an<strong>der</strong>en Komponenten/Alternativen <strong>der</strong> Wasserstoffwirtschaft, •<br />
vorsichtige, möglichst objektive und auch kritische Bewertung, • klare, logische, gut strukturierte<br />
Darstellung in Bild und Sprache, • Vortrag.<br />
- Erstellung mit Powerpoint o<strong>der</strong> Impress (Linux, OpenOffice, LibreOffice). Hat je<strong>der</strong> ein solches<br />
Programm? Hat je<strong>der</strong> einen Rechner/Notebook?
Seminarthemen<br />
Stand: 24.04.13<br />
1. Windenergie Onshore, Offshore (Gitin, Gellermann)<br />
- Motivation: Windenergie hat ein großes Potential und lässt sich wirtschaftlich gewinnen; ist über<br />
die Elektrolyse vorteilhaft in eine Wasserstoffwirtschaft integrierbar<br />
- <strong>Grundlagen</strong>, theoretisch (Betzsches Gesetz), technisch, Strömungstechnik<br />
- Seewind-Nutzung (offshore)<br />
- Landwind-Nutzung (onshore)<br />
- Literatur: Kaltschmitt 2006, Quaschning 2008, Wosnitza 2012<br />
2. Solarenergie Solarthermie (Le Vo Phuong), Photovoltaik (Loof)<br />
- Motivation: Sonnenenergie besitzt ein großes Potential und lässt sich wirtschaftlich gewinnen<br />
(Solarthermie); Photovoltaikstrom lässt sich über Elektrolyse vorteilhaft in eine Wasserstoffwirtschaft<br />
integrieren, wodurch die Photovoltaik wirtschaftlicher würde; 70 % <strong>der</strong> Nutzenergie ist Wärme<br />
- Photovoltaik, …, siehe Vorlesung, ...<br />
- Solarthermie, Strom/Wasserstoff aus Photovoltaik und Parabolrinnen (Anasol)<br />
- Kombination Wärmepumpen mit Solarthermie<br />
- Literatur: Kaltschmitt 2006, Quaschning 2008, Wosnitza 2012<br />
3. Wasserkraft<br />
4. Wärmepumpen (xxx)<br />
- Motivation: 70 % <strong>der</strong> Nutzenergie ist Wärme<br />
- siehe Vorlesung<br />
- auch Kombination Wärmepumpen mit Solarthermie<br />
5. Elektrolyse (xxx, yyy)<br />
- Motivation: Wichtige Technik, um zur Zeit nicht nutzbaren Wind- und Photovoltaik-Strom zu<br />
speichern und damit besser zu nutzen; aufwändige Schattenkraftwerke vermeiden<br />
- <strong>Physikalisch</strong>-chemische <strong>Grundlagen</strong>, Techniken, Effizienz, Wirkungsgrad, Abwärmenutzung,<br />
- Anwendungen, Wirtschaftlichkeit, z.B. Investitionskosten (700 Euro/kWh?)<br />
- Potential, neue Verfahren (z.B. Fallfilmelektrolyse), Ausblick<br />
- thermische Dissoziation von Wasser bei T > 1700°C, z.B. in Solarlöfen; Einsatz von keramischen<br />
Membranen, die nur H 2 durchlassen, Einsatz von Katalysatoren,<br />
6. Biomasse als Energieträger (Biogas, BTL, Biomasse zu H2) (Bolze, Wagner)
- Motivation: Biomasse ist bereits heute die weitaus am stärksten genutzte regenerative<br />
Energiequelle; in Kombination mit direkter thermochemischer Umwandlung in H 2 ist eine große<br />
Effizienzsteigerung zu erwarten; Ertragssteigerungen bei Energiepflanzen sind zu erwarten,<br />
- <strong>Grundlagen</strong> Photosynthese,<br />
- Energiepflanzen, Potential, theoretisch maximaler Umsetzungsgrad <strong>der</strong> Sonnenenergie (10 %?),<br />
allgemein, unter Aspekt thermochemische Umsetzung zu H 2<br />
- Bioabfall, Potential<br />
- Biogasanlage, Silierung, wasserhaltige Biomasse, Biomasse nur lagerfähig Wassergehalt zwischen …,<br />
Kombination mit Steamreformer<br />
- Biomasse zu Flüssigkeit (BtL)<br />
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, Wosnitza 2012, …<br />
7. Thermochemische H2-Erzeugung aus Biomasse / Steamreforming / an<strong>der</strong>e Verfahren (Becker)<br />
- Motivation: großes Potential <strong>der</strong> Biomasse besser nutzen, möglicherweise effizientestes und<br />
güngstigstes Verfahren H 2 herzustellen, „wo soll <strong>der</strong> Wasserstoff langfristig herkommen?“<br />
- Steamreforming zur Herstellung von Synthesegas allgemein, zugeschnitten auf Biomasse,<br />
spezifische Vorteile (z.B. leichtere Vergasung) und Nachteile (Verglasung, Teerbildung) gegenüber<br />
gängigen Verfahren wie Kohle- und Holzvergasung, Wirbelschichtreaktoren, allotherme und<br />
autotherme Prozessführung, 850°C und 30 bar,<br />
- Shift-Reaktor zur Umsetzung von CO + H 2 O zu H 2 + CO 2 ,<br />
- Druck-Wechsel-Adsorption (Pressure-Swing-Adsorption PSA) zur Trennung von CO 2 und H 2 ,<br />
- Wärmerückgewinnung, Gasreinigung<br />
- Effizienz: Kaltgaswirkungsgrad (Verhältnis des Energieinhalts des „kalten“ Produktgases zum<br />
Energieinhalt des eingesetzten Energieträgers wie Kohle, Biomasse), Gesamtumwandlungsgrad,<br />
- Potential, Wirtschaftlichkeit,<br />
- An<strong>der</strong>e: Reaktionen mit überkritischem Wasser (KIT), 700°C und > 200 bar, Pyrolyse,<br />
Flugstromvergaser,<br />
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, …<br />
8. Vergleich Wasserstoffwirtschaft zu Stromwirtschaft (u.a. Effizienzvergleich Energietransport)<br />
(Reinhold)<br />
- Motivation: durch Einsatz <strong>der</strong> BZ-Technologie wird die dezentrale Stromversorgung bei hoher<br />
Ausnutzung <strong>der</strong> Abwärme möglich, vorausgesetzt, günstiger Wasserstoff steht zur Verfügung<br />
- Physik und Technik <strong>der</strong> Hochspannungsübertragung,<br />
- Energetischer und kostenbasierter Effizienzvergleich,<br />
- kann z.B. mo<strong>der</strong>ne HGÜ Effizienzvorteile bringen?<br />
- Fernwärmenutzung, …<br />
- Literatur: Kaltschmitt et al. 2009, Tetzlaff 2011, …<br />
9. Umwandlung Methan → Wasserstoff, Wasserstoff → Methan (Wind zu Gas) (xxx)<br />
- Motivation a): die Reformierung aus CH 4 ist zur Zeit das wichtigste Herstellungsverfahren für H 2 ; da<br />
Erdgas gegenüber Strom günstig ist, lohnt sich wahrscheinlich die Umwandlung in H 2 und die<br />
dezentrale Rückverstromung in lokalen Brennstoffzellen (bei Pipelinetransport).<br />
- Motivation b): die Weiterverarbeitung von H 2 zu CH 4 lohnt sich wahrscheinlich weil das Erdgasnetz<br />
und die Erdgasverbrauchstruktur uneingeschränkt nutzbar ist, so dass (Überschuss-)Windstrom und<br />
Solarstrom besser genutzt werden kann (Windgas, Solarfuel),<br />
- Schwerpunkt chemische Reaktionen und Technologien<br />
- ev. auch für 2 Personen
10. Weitere H 2 -Herstellungs-Möglichkeiten (xxx)<br />
- Photobiologische Herstellung mit Algen in Bioreaktoren unter Nutzung von Sonnenlicht, …<br />
- über Biogasanlagen, insbeson<strong>der</strong>e in Kombination mit 2. und 3. durch Nutzung von „edlem“<br />
Presssaft aus Silage, <strong>der</strong> Vergärung um Faktor 4-10 beschleunigt, Presskuchen und Biogas können<br />
getrennt effizienter zu H 2 über Steamreformer vergast werden, weil wegen geringerem Kaliumanteil<br />
höhere Temperaturen genutzt werden können (Prof. Scheffer, Uni-Kassel)<br />
- Literatur: Tetzlaff 2011<br />
11. Brennstoffzellen <strong>Grundlagen</strong> (Servatka, Strer)<br />
- Motivation: Brennstoffzellen können mit hohem Wirkungsgrad über 50 % elektrischen Strom<br />
insbeson<strong>der</strong>e aus H 2 und an<strong>der</strong>en Brennstoffen herstellen; insbeson<strong>der</strong>e die dezentrale Anwendung<br />
als Minikraftwerk unter hoher Nutzung <strong>der</strong> Abwärme erscheint aussichtsreich; bei Massenfertigung<br />
sollten BZ relativ günstig werden; vielfältige Typen lassen hohe Anwendungsbreite zu, z.B.<br />
Hochtemperatur-BZ,<br />
- Elektrochemisches Grundprinzip, Typen, Einsatzmöglichkeiten, Wirkungsgrade, Ausblick,<br />
Wirtschaftlichkeit,<br />
- Typen AFC (Alkalische BZ, 80°C), DMFC (40°C), PEMFC (Polymermembran, 80°C), HT-PEMFC (180°C),<br />
MCFC (Karbonatschmelze BZ, 600°C), SOFC (Festoxid BZ, 1000°C)<br />
- Literatur: Geitmann 2004<br />
12. Brennstoffzellen Anwendungen (Kraft-Wärme-Kopplung) (Weege)<br />
- Motivation: Brennstoffzellen können mit hohem Wirkungsgrad über 50 % elektrischen Strom<br />
insbeson<strong>der</strong>e aus H 2 und an<strong>der</strong>en Brennstoffen herstellen; insbeson<strong>der</strong>e die dezentrale Anwendung<br />
als Minikraftwerk unter hoher Nutzung <strong>der</strong> Abwärme erscheint aussichtsreich; bei Massenfertigung<br />
sollten BZ relativ günstig werden;.<br />
- dezentrale Stromproduktion (Strom + Warmwasser), Massenproduktion, Wirtschaftlichkeit, Kosten<br />
Platin, Palladium, Edelmetalle,<br />
- Vergleich mit an<strong>der</strong>en Kraft-Wärme-Kopplungs-Systemen (VW-Lichtblick Touran-Gasmotor,<br />
Senertec Dachs, …,)<br />
- Anwendungen: Callux-Projekt, z.B. Fa. Vaillant<br />
- Literatur: Geitmann 2004; Bericht Callux-Projekt „BZ-Praxistest Eigenheim“.<br />
13. Neue elektrische Fahrzeugantriebe (Brennstoffzellen-H2-System, Elektrische Speicher) (Bax)<br />
- Motivation: höhere Effizienz von BZ-Antrieben bei gleicher Leistung, keine Abgase außer H 2 O,<br />
- Kombination mit elektrischen Energiespeichern wie Batterien, Supercaps,<br />
- Energierückgewinnung aus Bremsen und Stoßdämpfer mit Radnabenmotoren,<br />
- Schwungradspeicher,<br />
- Anwendungen: Busse und Gabelstapler (Praxis), PKW (läuft gerade an)<br />
- Literatur: Geitmann 2004, Eichlse<strong>der</strong> 2010<br />
14. Geothermie (Garbowski)<br />
- Literatur: Erneuerbare <strong>Energien</strong> BMU, 2012; Quaschning 2008
15. Sicherheit von Wasserstoff (xxx)<br />
- Motivation: Kenntnis <strong>der</strong> Gefahrenpotentiale schafft Vertrauen in einen Energieträger; H 2 als<br />
Energieträger wird teilweise in <strong>der</strong> Öffentlichkeit als gefährlich angesehen; manche bestehende<br />
Vorurteile können teilweise objektiviert werden,<br />
- <strong>Physikalisch</strong>e <strong>Grundlagen</strong>: Zündverhalten, Detonationsverhalten, Brennverhalten,<br />
- Sicherheit von H 2 in Pipelines und Druckbehältern<br />
- Historie: Hindenburgkatastrophe,<br />
- Vergleich mit an<strong>der</strong>en Brennstoffen, Propan, CH 4 , Benzin, …<br />
2. Rohrnetzsysteme<br />
3. Druckspeicher