Solarstrom produziert regenerativen Wasserstoff

Photosynthese Wirkungskreislauf (Quelle HyperSolar Inc.)
Photosynthese Wirkungskreislauf (Quelle HyperSolar Inc.)

Mit Nanotechnologie wird regenerativer Wasserstoff aus Sonnenlicht produziert. Wasserstoff (H2) ist das häufigste Element und der sauberste Brennstoff im Universum.  Kohlenwasserstoffverbindungen wie Öl, Kohle und Erdgas, wo Kohlendioxid und andere Schadstoffe in die Atmosphäre emittiert werden, erzeugt der Brennstoff H2 als „Abgas“nur Wasser.

Seit mehr als einem Jahrhundert ist die Elektrolyse als Verfahren für die Trennung der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff bekannt. Theoretisch steht uns die Technologie für die unbegrenzte Energieversorgung zur Verfügung. In der Praxis standen jedoch für die kommerzielle Elektrolyse zwei Hindernisse entgegen: teuren Strom und reines Wasser (Verschmutzung des H2-Generators). Mit Nanotechnologie und Sonnenlicht wird die Elektrolyse von Wasser in seiner einfachsten Form einer chemischen Reaktion für die Übertragung von "Eingangs Elektronen" angewendet:

> Kathode (Reduktion): 2 H2O + 2e- -> H2 + 2 OH- 

> Anode (Oxidation): 4 OH- -> O2 + 2 H2O + 4e-

 

Photosynthese - Wasserstoff aus Abwasser

Ein autarkes photoelektrochemisches Nanosystem ahmt der natürlichen Photosynthese nach und besteht aus einem Solarabsorber, welcher die Elektronen aus dem Sonnenlicht direkt dem Wasser zuführt und so über die molekulare Bindungen Wasserstoff erzeugt. Im Gegensatz zu Solarzellen, welche eine beträchtliche Anzahl von Elektronen "verlieren", optimiert der neuartige PV-Solarabsorber eine maximale Elektronenerzeugung mit hoher Effizienz. Folglich werden weniger Photovoltaik-Elemente benötigt was die Systemkosten senkt.

Ein grosses Problem für Photovoltaik-Elementen - die für eine direkte Elektrolyse im Wasser verbaut werden - ist die Korrosion und Strom-Kurzschlüsse. Mit einer nanotechnischen Schutzschicht werden die Schlüsselelemente verkapselt. Mit dieser neuartigen Schutzschicht können die Nanopartikel unter Wasser und in praktisch allen Wasserqualitäten (auch Abwasser) gelöst werden.

Der Nickel-Eisen-Akkumulator (Edison-Akkumulator) ist verwandt mit dem Nickel-Cadmium-Akkumulator, allerdings wird statt des giftigen Cadmiums Eisen verwendet.

Beim Laden überzieht sich die Nickelelektrode mit einem schwarzen Oxidbelag, der beim Entladen wieder verschwindet. Nach dem Aufladen ist zwischen den Elektroden eine Spannung von typisch etwa 1,3 Volt messbar.

Der Nickel-Eisen-Akkumulator gilt als mechanisch und elektrisch unempfindlich. Insbesondere ist eine Schädigung durch Überladung oder Tiefentladung nicht bekannt. Diese Eigenschaften haben zu einem Comeback der Technologie im Bereich der dezentralen Stromversorgung geführt.

H2generator mit integrierter Elektrolyse (Quelle HyperSolar Inc.)
H2generator mit integrierter Elektrolyse (Quelle HyperSolar Inc.)

Die Nanopartikel-Technologie ist eine Lösung der 4PV-Generation. Bereits heute stehen eine Reihe von diskreten Durchbrüchen für eine kommerzielle Vermarktung zur Verfügung - Lösungen für die erneuerbare Wasserstoff-Produktion.
> mehr Info H-Speicher

Energiedichte und Lagerung

 Die Energiedichte von H2 hat einen Heizwert 33.3 kWh/kg oder im flüssigen Zustand bei minus 259°C von 2.3 kWh/Liter.

NA = 6,022*1023/mol (Avogadrozahl gibt an, wie viele Teilchen eines Stoffes ein Mol machen)
Vm = 0,0224 m3/mol (Molvolumen eines idealen Gases bei Normalbedingungen)
1 Mol H2 = 2g H2 = 6,022*1023H2 Moleküle = 22,4 Liter H2
HH2 = 10‘790 kJ/Nm3 (Heizwert H2 von einem Normkubikmeter Wasserstoffgas)

unterer Heizwert (gasförmig)

H2 + ½ O2 -> H2O  > ØH = 241,8 kJ/mol
10,79 MJ/Nm3 = 3,00 kWh/Nm3
120,00 MJ/kg = 33,33 kWh/kg
8,50 MJ/l LH2 = 2,36 kWh/l LH2

 

oberer Heizwert (Liquid-flüssig)

H2 + ½ O2 -> H2O  > ØH = 285,8 kJ/mol
12,75 MJ/Nm3 = 3,54 kWh/Nm3
141,85 MJ/kg = 39,40 kWh/kg
10,04 MJ/l LH2 = 2,79 kWh/l LH2


Wasserstoff ist bei Normaltemperatur gasförmig. Ein PKW verbraucht pro 100 km ca. 1,2 kg H2 = 13'500 Liter gasförmigen H2 bei Normaldruck entspricht. H2 hat zwar den höchsten massenbezogenen Heizwert (Energie/Masse kWh/kg) von allen Brennstoffen, aber den kleinsten volumenbezogenen Heizwert (Energie/Volumen , kWh/Liter).

Druckflaschen

Druckspeicher BEWAG ist die gängigste Form der Speicherung. Die Speicherdrücke liegen bei 20-70 MPa. Druckbehälter für die Erprobung von 70-300 MPa Druckniveau sind verfügbar. Die Speichertanks werden aus Gründen der Gewichtsreduktion in Faserverbundbauweise gefertigt. Neu sind Tanks die vollständig aus Kunststoff gefertigt werden bei welchen die Innenhülle aus einer gasdichten Kunststoffolie besteht.

LH2-Speicher

Die flüssige Form der Wasserstoffspeicherung ist die zur Zeit beste Speichermethode. Die Infrastrukturanforderungen(Tieftemperaturspeicherung bei -253o = 20 K) sind hoch. Die Speichersysteme, Transferleitungen und Tankkupplungen müssen superisoliert sein um ein schnelles vorzeitiges Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs zu vermeiden/hinauszuzögern. Vorteil der kryogenen Wasserstoffspeicherung ist die Erzielbarkeit schneller Betankungszeiten (LH2 -PKWs lassen sich bereits heute mit 125 l LH2 in weniger als 3 Minuten betanken).

H2 Metallhydridspeicher
Die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Metallhydriden erfolgt über die H2 -Anlagerung an metallischen Legierungen. Das Speicherverfahren erlaubt eine verlustfreie Speicherung. Nachteile sind seine niedrige massenspezifische Speicherdichte (1,7% bis 4,5% H2 -Masse) und die hohe Temperatur bei der Wasserstofffreisetzung - der Vorteil ist die hohe volumenspezifische Speicherdichte.

H2 Grafitnanofaserspeicherung (GNF)

Der aktuelle Stand der Technik (2015) ist die Speicherung von H2 in mehreren Lagen Grafitfasern mit Querschnitten von 5-100 nm und Längen von 5-100 mikrom an. Die Speicherladung erfolgt mit ca. 13 MPa in rund 4 h und 24 h. Der Speicherdruck liegt bei 4-5 MPa. Bei einem Speicherdruck über 3 MPa kann der Speicher den H2 bei Raumtemperatur verlustfrei halten. Wird der Druck reduziert kann bis zu 95% des gespeicherten H2 verbraucht werden. Zwischen 7,5% - 75% des Carbongewichts kann in Form von H2 gespeichert werden. Ein GNF-Fahrzeugtank von etwa 25 l Volumen und 15 kg Grafitmasse soll einem PKW mit Brennstoffzellenantrieb mindestens 1‘500 bis 6‘000 Kilometer Reichweite ermöglichen.

Anwendungsbeispiele

Flüssigtank H2
Flüssigtank H2
Varianten Antriebsysteme
Varianten Antriebsysteme
GFN Kartusche für rund 200 km Reichweite (Austauschkartuschen)
GFN Kartusche für rund 200 km Reichweite (Austauschkartuschen)
Varianten Antriebsysteme
Varianten Antriebsysteme
Varianten Antriebsysteme
Varianten Antriebsysteme