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Wasserstoffspeicherkraftwerke

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  1. Wasserstoffspeicherkraftwerke

    Autor: /mecki78 26.07.21 - 18:10

    Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff ist schon recht effizient. Sie liegt aktuell bei 80% (PEM Verfahren) und wird bis 2030 ca. 86% erreichen. Das theoretische Maximum des PEM Verfahrens liegt bei 94%.

    Ineffizient wird das ganze erst, durch den Energieaufwand für die Verflüssigung, den Transport und die Verluste durch die Brennstoffzelle. Aber das trifft nicht auf ein Speicherkraftwerk zu.

    Erstens muss ein Speicherkraftwerk den Wasserstoff gar nicht verflüssigen, es reicht diesen in Hochdruckbehältern zu komprimieren. Er wird dort eh nicht dauerhaft oder langfristig gespeichert, sondern zwischendurch auch immer wieder verbraucht und dann wieder neuer produziert. Baut man solche Speicheranlagen im großen Stil (viele Hochdruckbehälter auf großer Fläche verteilt, ggf. unterirdisch), ist so eine Speicheranlage sehr effektiv und kosteneffizient.

    Zweitens gibt es keinen Transport. Er wird dort gelagert, wo er erzeugt wird und wo er am Ende wieder verbraucht wird. Transportkosten und umlagerung entfallen also komplett (keine Spezial LKWs, die den Wasserstoff dann hunderte von Kilometern herum fahren, um ihn wieder ein kleine Tanks vor Ort umzuladen).

    Drittens braucht man keine Brennstoffzelle. Man kann mit den Wasserstoff auch direkt eine Gasturbine antreiben, was effizienter ist als jedes Kraftwerk, dass mit Wasserdampf arbeitet (Kohlekraftwerk, Erdölkraftwerk, Kernkraftwerk, etc.), weil Dampfturbinen erreichen max. 40% Wirkungsgrad (meistens nur so 36-38%) und daher ist der Wirkungsgrad von Kraftwerken, die Strom aus Wärme generieren furchtbar, hat aber die letzten 50 Jahre niemanden gestört.

    Viertens, wenn mal der gespeicherte Wasserstoff ausgeht, kann man das Kraftwerk auch mit Biogas weiter betreiben und zur Not natürlich auch direkt mit Erdgas. Das Kraftwerk kann also auch als Stützkraftwerk arbeiten, wenn mal aus irgend einen Grund lange Zeit keine Überproduktion vorhanden ist, es muss nur auf anderen Kraftstoff umsteigen.

    Und fünftens, wenn es eine Überproduktion an Wasserstoff gibt, dann kann man den immer noch irgendwo am Ende der Anlage verflüssigen und dann dorthin transportieren, wo er gebraucht wird, z.B. zum nächsten Flughafen, denn Wasserstoffturbinen können natürlich auch Flugzeuge antreiben und Airbus und Boing fliegen schon mit den ersten Wasserstoffprototypen herum. Es wird also Abnehmer geben, die gutes Geld für den Wasserstoff zahlen werden.

    So ein Wasserstoffspeicherkraftwerk hat also eine gigantische Menge von Vorteilen, Anwendungsszenarien und Einkommensmöglichkeiten. Und dazu eine enorm hohe Haltbarkeit, da man nur wenige Verschleißteile hat, die sich leicht über die Jahre wechseln lassen.

    /Mecki

  2. Re: Wasserstoffspeicherkraftwerke

    Autor: Eheran 26.07.21 - 18:15

    >es reicht diesen in Hochdruckbehältern zu komprimieren.
    Komprimierung auf 700 bar benötigt ca. 12 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs. Wasserstoff hat 33.3 kWh/kg, entsprechend sind 4 kWh/kg dann weg.

    Man kann den Wasserstoff auch einfach dort einsetzen, wo er ohnehin gebraucht wird und bisher aus Öl/Gas/Kohle gewonnen wird. Also etwa in Raffinerien, für Ammoniak oder für Methanol.

  3. Re: Wasserstoffspeicherkraftwerke

    Autor: Frank Wunderlich-Pfeiffer 26.07.21 - 18:34

    Ich hatte mich vor 3-4 Jahren einmal mit einem Vertreter (war es der CTO?) von ITM-Power unterhalten, die PEM-Elektrolysateure herstellen. Der sagte, die Effizienz liegt in der Praxis bei grob 60 Prozent. Wenn sie neu sind darüber, am Ende der Lebensdauer darunter. Höhere Werte bekommt man unter Laborbedingungen weit unterhalb der Nennleistung. Der meiste Wasserstoff wird aber immer nahe der maximalen Leistung erzeugt, weil bei wenig Leistung auch nur wenig Wasserstoff erzeugt wird. Wenn er immer nur bei wenig Leistung läuft hat man einen viel zu teuren, überdimensionierten Elektrolysateur gekauft.

    Es gibt effizientere Technik, aber die ist nicht so flexibel in der Leistung und kann nicht auf Schwankungen reagieren - was aber gerade Sinn und Zweck der Sache ist. Hinter der Brennstoffzelle bleibt bei dem Einsatzzweck entsprechend nicht mehr viel Strom übrig. Große Mengen Wasserstoff kann man bei niedrigem Druck auch nicht speichern. Genau deswegen spricht man über chemische Wasserstoffträger, wie bestimmte Kohlenwasserstoffe:
    https://www.golem.de/news/energiespeicherung-wasserstoff-soll-in-oel-gespeichert-werden-1709-129820.html

    Da verliert man aber auch ein Viertel der Energie bei der Beladung des Trägerstoffs als Wärme, also ausgerechnet dann, wenn keine Energie gebraucht wird. Umgekehrt wäre es besser (wie beim thermischen Speicher), aber da spielt die Physik nicht mit.

    Perfekt für die Wasserstofferzeugung wären Festoxid-Elektrolysateure, mit denen man tatsächlich sehr hohe Effizienz erreichen kann. Es sind Hochtemperaturzellen, bei denen die thermische Energie mit hilft, das Wasser zu spalten. Mit einer Wärmequelle von außen wäre da sogar mehr als 100% Effizienz drin, solang man die Wärme ignoriert und nur auf den Strom schaut.

    Festoxid funktioniert auch als Brennstoffzelle. Die werden umgekehrt durch hohe Temperatur eher ineffizient, aber die Effizienz bricht bei hoher Leistung nicht so stark ein. Theoretisch kann man außerdem die Abwärme zur Stromgewinnung nutzen, wenn man den Stack wenigstens in Regionen von ein paar Megawatt skaliert.

    Aber weder ihre Lebensdauer noch der Preis sprechen derzeit für Festoxidzellen, in beiden Funktionen. Das mag sich aber alles ändern, wenn Wasserstoff in großen Mengen für die Stahlherstellung und Chemie erzeugt werden muss. Da gibt es ganz ohne staatliche Fördergelder viel Anreiz, die Wasserstofferzeugung effizienter zu machen.

    Frank Wunderlich-Pfeiffer (Twitter: @FrankWunderli13) - als freier Journalist bei Golem.de unterwegs - Countdown Podcast zur Raumfahrt @countdown_pod oder https://countdown.podigee.io/

  4. sind noch ineffizienter

    Autor: 486dx4-160 26.07.21 - 20:40

    /mecki78 schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff ist schon recht effizient. Sie
    > liegt aktuell bei 80% (PEM Verfahren) und wird bis 2030 ca. 86% erreichen.
    > Das theoretische Maximum des PEM Verfahrens liegt bei 94%.
    >
    > Ineffizient wird das ganze erst, durch den Energieaufwand für die
    > Verflüssigung, den Transport und die Verluste durch die Brennstoffzelle.
    > Aber das trifft nicht auf ein Speicherkraftwerk zu.
    >
    > Erstens muss ein Speicherkraftwerk den Wasserstoff gar nicht verflüssigen,
    > es reicht diesen in Hochdruckbehältern zu komprimieren. Er wird dort eh
    > nicht dauerhaft oder langfristig gespeichert, sondern zwischendurch auch
    > immer wieder verbraucht und dann wieder neuer produziert. Baut man solche
    > Speicheranlagen im großen Stil (viele Hochdruckbehälter auf großer Fläche
    > verteilt, ggf. unterirdisch), ist so eine Speicheranlage sehr effektiv und
    > kosteneffizient.
    >
    > Zweitens gibt es keinen Transport. Er wird dort gelagert, wo er erzeugt
    > wird und wo er am Ende wieder verbraucht wird. Transportkosten und
    > umlagerung entfallen also komplett (keine Spezial LKWs, die den Wasserstoff
    > dann hunderte von Kilometern herum fahren, um ihn wieder ein kleine Tanks
    > vor Ort umzuladen).
    >
    > Drittens braucht man keine Brennstoffzelle. Man kann mit den Wasserstoff
    > auch direkt eine Gasturbine antreiben, was effizienter ist als jedes
    > Kraftwerk, dass mit Wasserdampf arbeitet (Kohlekraftwerk, Erdölkraftwerk,
    > Kernkraftwerk, etc.), weil Dampfturbinen erreichen max. 40% Wirkungsgrad
    > (meistens nur so 36-38%) und daher ist der Wirkungsgrad von Kraftwerken,
    > die Strom aus Wärme generieren furchtbar, hat aber die letzten 50 Jahre
    > niemanden gestört.
    >
    > Viertens, wenn mal der gespeicherte Wasserstoff ausgeht, kann man das
    > Kraftwerk auch mit Biogas weiter betreiben und zur Not natürlich auch
    > direkt mit Erdgas. Das Kraftwerk kann also auch als Stützkraftwerk
    > arbeiten, wenn mal aus irgend einen Grund lange Zeit keine Überproduktion
    > vorhanden ist, es muss nur auf anderen Kraftstoff umsteigen.
    >
    > Und fünftens, wenn es eine Überproduktion an Wasserstoff gibt, dann kann
    > man den immer noch irgendwo am Ende der Anlage verflüssigen und dann
    > dorthin transportieren, wo er gebraucht wird, z.B. zum nächsten Flughafen,
    > denn Wasserstoffturbinen können natürlich auch Flugzeuge antreiben und
    > Airbus und Boing fliegen schon mit den ersten Wasserstoffprototypen herum.
    > Es wird also Abnehmer geben, die gutes Geld für den Wasserstoff zahlen
    > werden.
    >
    > So ein Wasserstoffspeicherkraftwerk hat also eine gigantische Menge von
    > Vorteilen, Anwendungsszenarien und Einkommensmöglichkeiten. Und dazu eine
    > enorm hohe Haltbarkeit, da man nur wenige Verschleißteile hat, die sich
    > leicht über die Jahre wechseln lassen.

    Die PEM-Elektrolyse ist noch relativ jung (Mitte der 1970er) und funktioniert bislang nur im kleinen Maßstab und ist prinzipbedingt ziemlich teuer. Ihr Vorteil ist, dass hochreiner Wasserstoff rauskommt und schnell hoch- und runtergeregelt werden kann, dafür wird aber *mehr* Energie benötigt als bei der üblichen alkalischen Elektrolyse. Der Wirkungsgrad ist etwas geringer (um die 75%) als bei der alkalischen Elektrolyse (um die 80%).

    Verwechselst du das vielleicht mit der Hochtemperatur-Elektrolyse? Die wäre effizienter (82-90%), gibt's aber bisher nur im Labormaßstab.

    Unter'm Strich reicht aber auch das nicht, um über den Wirkungsgrad von thermischen Speichern oder diesen Akkus aus dem Artikel drüber zu kommen - von Speicherwasserkraftwerken ganz zu schweigen. Der Wasserstoff muss ja auch noch komprimiert werden, und Brennstoffzellen sind nicht so mega effizient.

    Beim aktuellen Ausbautempo ist in den nächsten Jahren aber eh nicht mit EE-Stromüberschuss zu rechnen....

  5. Re: Wasserstoffspeicherkraftwerke

    Autor: Eheran 26.07.21 - 20:50

    >Das mag sich aber alles ändern, wenn Wasserstoff in großen Mengen für die Stahlherstellung und Chemie erzeugt werden muss.
    An dem Projekt war ich indirekt beteiligt. Eine 24 MW Elektrolyseplattform für Versuche usw.
    Allerdings war mein letzter Stand, dass (auch?) eine Hochtemperaturelektrolyse da ist, ich habe mit meinem Projekt den fertigen Wasserstoff (+ CO durch Coelectrolyse) zu Methanol weiterverarbeitet.

  6. Re: sind noch ineffizienter

    Autor: Eheran 26.07.21 - 20:53

    >Die PEM-Elektrolyse [...] funktioniert bislang nur im kleinen Maßstab und ist prinzipbedingt ziemlich teuer.
    Siehe meinen Link oben. 24 MW.

  7. Re: sind noch ineffizienter

    Autor: chefin 27.07.21 - 16:30

    Wir können rechnen und rechnen, am Ende muss neben Effizienz auch Anlagentechnik und deren Kosten mit kalkuliert werden. Uns nützt es nichts einen Hochdruckspeicher für sehr viel Geld zu haben, der nach einigen Jahren verschleisst. Ein Vakuumgefäss für Flüssigspeicherung hätte eine nahezu ewige Lebensdauer, relativ kleine Kosten, aber schlechtere Effizienz auf lange Sicht.

    Also wird es wohl kein monogames System geben, das allen Anforderungen gerecht wird. Stattdessen wird es kurzfristige Puffer geben, mittel und langfristige. Es wird stationäre Energie und Transportable geben. Und in jedem Bereich wird man sich spezialisieren. Akku-Fahrzeuge für den innerstädtischen Kurztreckenbereich, Langstrecken Flüssigtreibstoffe, Wärmepuffer für Heizenergie(wir haben 15% Energieverbrauch bei Auto, 40% für Wärme in Haushalt und Gebäuden, Rest ist Prozessenergie für Industrie)

    Es wird eine bunte Landschaft aus allem möglichen. Aber das haben wir ja heute schon. Benzin, heizöl, Gas, Holz, Strom aus Kohle und Kernkraft

  8. Hör auf Fake News zu posten

    Autor: /mecki78 27.07.21 - 16:44

    486dx4-160 schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Die PEM-Elektrolyse ist noch relativ jung (Mitte der 1970er) und
    > funktioniert bislang nur im kleinen Maßstab und ist prinzipbedingt ziemlich
    > teuer. Ihr Vorteil ist, dass hochreiner Wasserstoff rauskommt und schnell
    > hoch- und runtergeregelt werden kann, dafür wird aber *mehr* Energie
    > benötigt als bei der üblichen alkalischen Elektrolyse. Der Wirkungsgrad ist
    > etwas geringer (um die 75%) als bei der alkalischen Elektrolyse (um die
    > 80%).

    There are two main technologies available on the market, alkaline and proton exchange membrane (PEM) electrolyzers. Alkaline electrolyzers are cheaper in terms of investment (they generally use nickel catalysts), but less efficient; PEM electrolyzers, conversely, are more expensive (they generally use expensive platinum-group metal catalysts) but are more efficient and can operate at higher current densities, and can, therefore, be possibly cheaper if the hydrogen production is large enough.

    Conventional alkaline electrolysis has an efficiency of about 70%. Accounting for the accepted use of the higher heat value (because inefficiency via heat can be redirected back into the system to create the steam required by the catalyst), average working efficiencies for PEM electrolysis are around 80%. This is expected to increase to between 82–86% before 2030. Theoretical efficiency for PEM electrolysers are predicted up to 94%

    - https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis_of_water#Industrial_output

    Ich diskutiere nicht mit Leute, die falsche Fakten verbreiten, so wie du das tust. Elektrolyse ist viel effizienter als die Batteriefarm, um die es im Artikel geht, hör bitte auf Fake News in die Welt zu setzen.

    /Mecki

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