Водородная экономика

Водорода экономика является понятием экономии энергии , которая в основном или исключительно использует водород в качестве энергоносителя . Пока что водородная экономика не реализована ни в одной стране мира.

С химической точки зрения водород является первичным энергоносителем , но в природе он практически недоступен в свободном виде, и его необходимо сначала получить с помощью других источников энергии ( ископаемые источники энергии , ядерная энергия или возобновляемые источники энергии ). Таким образом, водородная экономика не является устойчивой автоматически, а устойчива только в той мере, в какой из первичных источников энергии получают водород. В настоящее время водород производится в основном на основе ископаемого топлива, такого как метан, содержащийся в природном газе . Концепции водородной экономики будущего в основном предусматривают производство водорода из возобновляемых источников энергии, что означает, что такая водородная экономика может быть без выбросов.

В то время как традиционная водородная экономика еще не использовалась ни в одной стране на земле, есть планы по все большей интеграции водорода или топлива, такого как метан или метанол, в существующую энергетическую инфраструктуру в рамках перехода к энергетике и расширения использования возобновляемых источников энергии . Тем временем, например, федеральное правительство Германии в очередной раз значительно увеличило финансирование программ восстановления зеленого водорода . В частности, экономика метанола обсуждается как более экономичная альтернатива водородной экономике.

история

  • 1874 г. - писатель Жюль Верн описал в диалоге между своими вымышленными персонажами, когда его спросили, что следует сжигать вместо угля в более поздние времена, впервые видение использования водорода и кислорода в качестве источника энергии.
  • 1923 - Ученый Джон Бердон Сандерсон Холдейн впервые упомянул в своем эссе основные принципы водородной экономики.
  • 1970 - Австралийский электрохимик Джон Бокрис впервые использовал термин « водородная экономика » во время встречи в техническом центре General Motors в Уоррене, штат Мичиган. и, после Джозефа Дж. Ромма (* 1960), значительно сформировал его в последующие годы.
  • 1975 - Вместе с физиком Эдуардом Джусти Джон Бокрис разработал полную концепцию водородной экономики.
  • 1980 - Под влиянием нефтяного кризиса физик Рейнхард Дальберг разработал концепцию водородной экономики, в которой водород генерируется в пустынных районах с использованием солнечной энергии и транспортируется потребителям по трубопроводам. Основная мотивация заключалась в замене истощающихся ископаемых видов топлива. Дальберг рассматривал не только технические, но и экономические аспекты водородной экономики.
  • 1994 - Немецкий институт аэрокосмических исследований (DLR) занимается производством водорода в пустыне. Электролизер мощностью 350 кВт, управляемый солнечными элементами, в то время свидетельствовал о возможности производства хранимого и транспортабельного водорода. Доступные солнечные ресурсы могут обеспечить такое же количество энергии на одном проценте суши Саудовской Аравии, какое ежегодно экспортируется в виде сырой нефти.
  • 1999 - Правительство Исландии включило цель водородной экономики (при условии осуществимости и экономической жизнеспособности) в свою правительственную программу. В Исландии особое внимание уделялось водородным двигателям для транспортных средств и рыболовного флота, чтобы стать независимыми от нефти. В стране нет разлагаемого ископаемого топлива, но она богата гидроэнергетикой и геотермальной энергией для производства электроэнергии. Для достижения этой цели была основана исландская компания «Новая энергия» .
  • 2002 - Экономист Джереми Рифкин описал концепцию водородной экономики в своей книге «Водородная революция» . По мнению Рифкина, негативное влияние на экономику роста цен на нефть и прекращение использования ископаемого топлива как «самого опасного момента в постиндустриальной истории» является важной мотивацией.
  • В 2003 году предыдущий сторонник водорода Ульф Боссель раскритиковал низкую прибыльность водородной экономики.
  • В 2006 году Джозеф Дж. Ромм проанализировал перспективы водородной экономики в США и сказал: «Когда некоторые люди делают вид, что водородная экономика уже достижима, они просто имеют в виду экономическую систему, сосредоточенную на водороде из природного газа и других источниках. загрязнитель ископаемое топливо Топливо ».
  • 2007 - Европейский парламент, также по совету Джереми Рифкина, принял декларацию, призывающую к созданию водородной инфраструктуры к 2025 году. В объяснении в качестве оправдания приводится глобальное потепление и рост стоимости ископаемого топлива.
  • 2014 - Toyota представляет первый серийно выпускаемый готовый к эксплуатации водородный автомобиль с топливным элементом - Toyota Mirai .
  • 2017 - Япония становится первой страной в мире, которая принимает национальную водородную стратегию, и другие страны последовали ее примеру чуть позже.
  • 2020 - Европейский Союз представил свою водородную стратегию в рамках энергетического перехода.

Уровни энергетики

Идеи основаны на внедрении водорода на всех уровнях энергетики:

  1. Развитие необходимых первичных источников энергии
  2. Преобразование энергии
  3. Хранилище энергии
  4. Использование энергии
  5. Торговля и распределение энергии
  6. Распространение и выставление счетов
  7. Гарантия надежности поставок

Производство водорода

До сих пор водород производился почти исключительно из ископаемого топлива, в основном из метана. Количество водорода, производимого во всем мире из природного газа и тяжелой нефти, составляло около 310 миллиардов м³ в 1999 году и около 9 миллиардов м³ в Германии. Природный газ и тяжелая нефть являются первичными ископаемыми источниками энергии . Когда водород производится с использованием этих веществ, выделяется углекислый газ с высоким потенциалом глобального потепления. Это противоречит введению экологически чистой водородной экономики, к которой призывает Европейский парламент.

Часть водорода также производится в качестве побочного продукта в химической промышленности , например. Б. в риформинге бензина и производстве этилена . Однако он также является побочным продуктом хлорщелочного электролиза и производства коксового газа путем газификации угля . В 1999 году химическая промышленность произвела во всем мире 190 миллиардов кубометров, а в Германии - 10 миллиардов кубометров. Обычно водород, полученный таким образом, используется термически, сжигая его непосредственно на месте.

Производство электроэнергии (электролиз)

Чтобы обеспечить устойчивую водородную экономику, водород должен быть получен из возобновляемых источников энергии. А вот и v. а. энергии ветра и солнечной энергии ( фотоэлектрические и солнечные тепловые электростанции ) в вопросе, как на глобальном уровне, и в Германии , имеют гораздо больший потенциал , чем у биомассы. Предполагается, что энергия ветра и солнца покроет основную нагрузку в системе регенерации энергии; некоторые исследования даже полностью обходятся без использования биомассы. Однако большинство этих концепций рассматривают только дополнительную роль водорода в экономике, основанной на электроэнергии, а не полную водородную экономику в реальном смысле.

В полностью регенеративной электроэнергетике значительная часть генераторов переменного тока, таких как ветровая и солнечная энергия, требует дополнительного длительного хранения для компенсации. С этой целью ставятся под сомнение химические системы хранения, такие как производство водорода, возможно, в связи с последующим метанированием. В случае производства водорода, его хранения и последующей конверсии эффективность в настоящее время (2013 г.) составляет максимум 43%, при метанировании - 39%. Sterner et al. указывают на диапазон эффективности от 34 до 44% для цепного производства, хранения и реконверсии водорода. Предполагается, что в перспективе будет достигнут максимальный общий электрический КПД от 49 до 55%.

Этот процесс используется с октября 2011 года в пилотном проекте на предприятии Enertrag в Пренцлау , Бранденбург . Электроэнергия, которая не требуется, была преобразована в водород с помощью электролизера под давлением 500 кВт и, таким образом, доступна для водородных заправочных станций или, при необходимости, снова преобразуется в электричество на гибридной электростанции .

Greenpeace Energy также поставляет водород из избыточной энергии ветра с октября 2011 года, который подается в сеть природного газа в чистом виде или преобразуется в метан.

Audi AG планируется, начиная с 2013 года, в Нижней Саксонии Werlte для генерации энергии ветра водорода. Произведенный водород необходимо сначала преобразовать в СПГ, чтобы использовать его в качестве топлива для автомобилей, работающих на природном газе . Произведенный водород также можно использовать непосредственно в транспортных средствах на топливных элементах .

Высокотемпературный электролиз обещает высокий уровень эффективности, поскольку потребность в электроэнергии снижается с повышением температуры. Высокотемпературный электролиз представляет особый интерес для солнечных тепловых электростанций . В 2011 году процесс находился в стадии разработки.

Институт Фраунгофера в Лойне также изучает процессы устойчивого и недорогого производства водорода. Необходимая для этого электроэнергия вырабатывается из возобновляемых источников энергии. Пилотная установка по производству зеленого водорода планируется ввести в эксплуатацию в 2019 году.

Водород из биоэнергетики

Производство водорода из биомассы в значительной степени климатически нейтрально, поскольку водород и углерод, полученные из атмосферы / биосферы, ранее удалялись путем фотосинтеза . Однако усилия по созданию таких. B. Учитываются удобрения, пестициды, расходы на транспортировку и переработку, а также переработку биомассы. Климатическая нейтральность соответствует введению экологически чистой водородной экономики, к которой призывает Европейский парламент.

Водород можно получить из биомассы путем ферментации или термохимическим способом , например. Б. паровым риформингом .

Крупномасштабного производства водорода из биомассы не существует (по состоянию на 2011 г.). Процедуры в основном все еще находятся в стадии разработки. Один из примеров - проект « Голубая башня » в Хертене . Планируемый завод должен производить 150 кубометров водорода в час, основной владелец, компания Solar Millennium AG, обанкротилась в конце 2011 года.

Потенциал и потребность в земле для энергетических культур

В Германии потребность в первичной энергии в 2014 году составила около 13 000 ПДж. Согласно энергетическим сценариям федерального правительства , площадь, используемая для производства биомассы, может составить около 4 миллионов гектаров к 2050 году (2011 г .: 1,8 миллиона гектаров) без конкуренции с производством продуктов питания . Это всего 24% земель, используемых сегодня под сельское хозяйство . Первичной потенциальной энергии 740 PJ (18,5 МДж / кг при 10 т / га) вычисляется из этого.

На примере значений урожайности мискантуса (18,5 МДж / кг при концентрации до 20 т / га) рассчитан первичный энергетический потенциал 1480 ПДж / год. Значение может сильно колебаться в зависимости от предполагаемых параметров.

Однако производство водорода из биомассы, помимо его прямого энергетического использования, также конкурирует со сжижением биомассы . Полученное таким образом топливо в качестве энергоносителя имеет более высокую плотность энергии, чем водород, и с ним легче обращаться.

Потенциал биогенных остатков

Биогенные отходы сельского хозяйства, природоохранной древесины , лесных остатков и незагрязненных промышленных отходов также могут использоваться для производства водорода. Федеральное министерство окружающей среды оценивает потенциал биогенных остатков в 900 ПДж.

Хранение и распределение водорода

В полностью развитой инфраструктуре с соответствующими объемами закупок распределение по трубопроводам могло бы быть значительно более энергоэффективным и рентабельным. Для этой цели может быть использована большая часть существующей газовой сети. Сеть природного газа подходит для поглощения водорода. До перехода на природный газ газовые сети Германии работали на городском газе , который на 51% состоял из водорода. Энергия транспортируется по газовой сети со значительно меньшими потерями (<0,1%), чем по электрической сети (8%). В случае чистого водорода, в принципе, существует проблема водородного охрупчивания , поскольку водород в атомарной форме может легко диффундировать в кристаллическую структуру большинства металлов, и, следовательно, предъявляются повышенные требования к герметичности. Емкость хранилищ в немецкой сети природного газа составляет более 200 000 ГВт и может временно хранить энергию , необходимую в течение нескольких месяцев. Для сравнения: мощность всех немецких гидроаккумулирующих электростанций составляет всего 40 ГВтч. Министерство окружающей среды, охраны природы и транспорта земли Баден-Вюртемберг хочет поддержать расширение водородной инфраструктуры в будущем (по состоянию на 2011 год). Также имеется практический опыт работы с водородными трубами:

  • Водородная сеть протяженностью более 240 км эксплуатируется в Рурской области на протяжении десятилетий .
  • В Саксонии-Анхальт есть хорошо развитая система водородных трубопроводов протяженностью 90 км, которой управляет Linde-Gas AG в регионе с высоким спросом на промышленный газ между Родлебен - Биттерфельд - Лойна - Цайтц .
  • В 2010 году в мире насчитывалось более тысячи километров водородных трубопроводов. Air Liquide управляет 12 сетями трубопроводов общей протяженностью 1200 км.

По-прежнему есть проблемы с длительным хранением. Часть водорода испаряется из криобаков, если не обеспечивается постоянное потребление. Например, в BMW Hydrogen 7 с баком для жидкого водорода дегазация началась после 17 часов простоя; через девять дней испарился наполовину полный бак.

Энергетическое использование водорода

Самым важным элементом при использовании водорода является топливный элемент . Он преобразует энергию, содержащуюся в водороде, в тепло и электричество.

Использование в доме

В случае отечественное производство электроэнергии с помощью топливных элементов, как и блока - типа ТЭЦ технологии, комбинированная система производства тепла и электроэнергии может быть также реализована, что повышает общую эффективность. Поскольку в этом режиме работы основное внимание уделяется производству тепла, эти системы регулируются в соответствии с потребностями в тепле, при этом избыточная выработанная электроэнергия подается в общую электрическую сеть.

Компания Vaillant разработала нагревательное устройство на топливных элементах, которое также может работать на природном газе через установку риформинга .

Теоретически достижимая эффективность по теплоте сгорания составляет около 83%. Если КПД связан с теплотой сгорания , как это обычно бывает с тепловыми электростанциями и двигателями внутреннего сгорания, теоретический максимальный КПД составляет около 98%. Указанный КПД системы составляет от 40% до 65% в зависимости от типа топливного элемента, хотя неясно, связаны ли они с теплотворной способностью или теплотой сгорания.

Использование в пробках

Транспортное средство с водородным двигателем обычно имеет бак высокого давления (например, 700 бар), который можно заправлять на заправочной станции водородом. В мае 2000 года компания BMW представила в Берлине первую серию из 15 водородных автомобилей с типовым обозначением 750hL . Способы выработки энергии представляют собой либо в основном обычный двигатель внутреннего сгорания, подобный движению на природном газе, либо «холодное сгорание» в топливном элементе. В транспортном средстве на топливных элементах топливный элемент вырабатывает электричество, которое приводит в движение электродвигатель.

Двигатель внутреннего сгорания

В качестве горючего газа водород можно сжигать в двигателе внутреннего сгорания («двигателе сгорания водорода »), аналогичном транспортным средствам, работающим на природном газе. Одним из примеров такого применения был BMW Hydrogen 7 . В конце 2009 года член совета по развитию BMW Клаус Дрегер объявил, что в настоящее время не будет нового парка автомобилей для тестирования водорода.

Топливная ячейка

В транспортном средстве на топливных элементах топливный элемент вырабатывает электричество, которое приводит в движение электродвигатель.

Водородная технология также проходит испытания в автобусах. Водородные автобусы 2009 года проехали около 250 км с 35 кг водорода. Сейчас есть автобусы, например B. Mercedes-Benz Citaro FuelCELL-Hybrid , работающий на топливных элементах.

Автомобили на топливных элементах намного дороже электромобилей. По словам Фрица Хендерсона ( CEO из General Motors ), такой автомобиль будет стоить около $ 400 000 (по состоянию на 2009 г.). Производители автомобилей Toyota , Nissan , Mercedes-Benz и Honda , согласно их собственным заявлениям, резко снизили производственные затраты на автомобили, работающие на водороде. ( Например, Toyota Mirai можно купить в Германии чуть менее 80 000 евро.) Toyota производит автомобили H 2 небольшими сериями и в больших масштабах использует топливные элементы.

С Mercedes B-Class F-Cell и двумя предсерийными автомобилями Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) была достигнута дальность полета 500 км при максимальной скорости 80 км / ч. Чтобы продемонстрировать пригодность для повседневного использования водородного привода, компания Daimler успешно совершила «кругосветное плавание» на нескольких автомобилях на топливных элементах B-класса. В 2010 году потребителям было поставлено 200 автомобилей этого типа.

Благодаря технологии Hydrail с 2005 года рельсовый транспорт также оказался в центре внимания. Японская Восточная железнодорожная компания была одной из первых компаний, которая ввела в эксплуатацию гибридный локомотив для испытаний. В конце 2017 года у производителя Alstom в Нижней Саксонии было заказано 14 поездов с приводом на топливных элементах.

В Швейцарской федеральной железных дорогах SBB ведет с весны 2014 года в его прокатный минибаре водородных топливных элементов , чтобы получить достаточное количество энергии для питания встроенного в кофемашине , чтобы на дороге, которая в настоящее время на дороге и пассажирах каппучины могут обеспечить. Обычные аккумуляторы, которые использовались до сих пор , были бы слишком тяжелыми для этой энергоемкой задачи.

Эффективность энергетической цепи

Определение терминов

Следует проводить различие между рентабельностью как мерой возврата денег с учетом связанных с этим затрат . Чем экономичнее технология, тем выше ее рентабельность . Эффективность использования энергии является мерой выхода энергии в рассмотрении энергии , используемой. Чем более энергоэффективна технология, тем выше ее эффективность . Экологическая эффективность является мерой устойчивости и экологичности. Он часто рассчитывается на основе выбросов CO 2 от сжигания, например, если в производстве используется ископаемое топливо .

Экономическая эффективность не обязательно идет рука об руку с энергоэффективностью и экологической эффективностью. Так и z. Например, угольная электростанция с КПД 30-40% имеет низкую энергоэффективность при производстве электроэнергии, но может быть очень рентабельной и, следовательно, экономичной при низкой цене на уголь.

Пример: Цепочка преобразования скважины в резервуар без трубопроводной сети:

Электроэнергия от энергии ветра → Электротранспорт → Водород от парового риформинга → Сжижение водорода → Транспортировка в танкере → транспортировка / хранение на АЗС

не особенно энергоэффективен с точки зрения технической эффективности. В 2018 году 1 кг водорода стоил всего 9,50 евро. Это цена водорода, которую покупатель должен платить на заправочной станции, то есть включая вложения в строительство и эксплуатацию водородной заправочной станции , но без учета государственных субсидий и более высоких затрат на покупку автомобиля.

Минеральное масло и водород облагаются налогом в Германии по-разному: с водорода не взимается налог на нефтепродукты или энергоносители .

Автомобиль с ...
... топливная ячейка ... тяговый аккумулятор ... бензиновый двигатель
Тип машины Mercedes-B-Class,
автомобиль на топливных элементах 		Электропривод Mercedes-B-Class
с тяговым аккумулятором 		Mercedes-B-Class
с бензиновым двигателем
Расход на 100 км 0,97 кг 16 кВтч 7 л
Цена на топливо 9,50 € / кг 0,30 € / кВтч 1,45 € / л (бензин премиум-класса)
Стоимость за 100 км 9,21 € 4,80 € 10,15 €

Это означает, что с точки зрения расхода топлива транспортное средство на топливных элементах более экономично в эксплуатации, чем транспортное средство с бензиновым двигателем, несмотря на умеренную энергоэффективность, но менее экономично, чем прямой электрический привод с тяговым аккумулятором .

Согласно отчету Hart , затраты на полезную энергию при использовании необлагаемого налогом водорода, обычно получаемого путем парового риформинга, вполне конкурентоспособны по сравнению с бензином. Ожидаемое налогообложение будет компенсировано ростом цен на бензин. Приведенное исследование предполагает постоянные цены на производство водорода.

Эффективность водородной экономики

При определении эффективности водородной экономики необходимо учитывать всю цепочку преобразования от производства водорода до выработки конечной энергии для потребителя.

Оценки эффективности в источниках иногда сильно различаются, потому что многие процессы все еще находятся в разработке, а их практический опыт производства отсутствует. В настоящее время нет крупномасштабного применения, поэтому данные об эффективности производства водорода, в частности, до сих пор основывались в основном на расчетах с использованием ископаемого топлива.

Значения, принятые для степеней эффективности, были усреднены из диапазона колебаний и в действительности могут отклоняться в большую или меньшую сторону. Следовательно, расчетный общий КПД может быть только приблизительным.

Изобразительное искусство Предполагаемая
эффективность		 Данные из разных источников
Термохимически водород из биомассы 0,75 Эффективность термохимического производства водорода из биомассы составляет от 69% до 78%, в зависимости от процесса.
Водород из электролиза 0,80 Эффективность электролиза воды составляет от 70 до 90%. Производство электроэнергии также имеет КПД <100%, что еще больше снижает общую эффективность в отношении ископаемых или ядерных первичных источников энергии и биомассы. В случае метода повышения эффективности, доминирующего в мире, это относится ко всем источникам энергии, которым может быть присвоена теплотворная способность. Напротив, в случае возобновляемых источников энергии, которым не может быть присвоена теплотворная способность (например, энергия ветра или гидроэнергетика), в балансах применяется коэффициент полезного действия 100%, так что здесь конечная энергия равна первичной энергии.
Транспорт водорода в газовой сети 0,99 <0,01% потери в газовой сети.
Электричество и тепло от нагрева топливных элементов 0,85 Эффективность 85% в зависимости от теплотворной способности с риформингом. В случае систем отопления КПД также может быть связан с теплотворной способностью используемого топлива, что может привести к КПД более 100%, поскольку рекуперированная теплота парообразования не включается в теплотворную способность.
Электрический топливный элемент 0,60 Электрический КПД топливных элементов составляет от 35% до 90% . Электрический КПД топливного элемента PEM составляет 60%.
Литий-ионный аккумулятор 0,94 Литий-ионные аккумуляторы имеют КПД 90–98% .
Электродвигатель 0,95 КПД электродвигателей составляет от 94% до 97% . Тяговые двигатели обычно очень эффективны.
Сжатие водорода до 700 бар 0,88 Потери при уплотнении составляют около 12% .

В водородной экономике это приводит к энергетической цепочке

Водород из биомассы → Транспорт в газовой сети → Электроэнергия и тепло от отопления топливными элементами

КПД 0,75 × 0,99 × 0,95 = 0,70 .

Энергетическая цепочка возникает для автомобилей на топливных элементах

Водород из биомассы → Транспорт в газовой сети → Сжатие до 700 бар → Электрический топливный элемент → Электродвигатель

с КПД 0,75 × 0,99 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,37 .

Для сравнения: степени эффективности в ископаемой энергетике.

Изобразительное искусство Предполагаемая эффективность Данные из разных источников
Водород от реформинга природного газа 0,75 Практические ценности для крупномасштабного преобразования и переработки
Электроэнергия от угольных электростанций 0,38 КПД в среднем 38% для угольных электростанций Германии. В 2010 году доля угольных и бурых электростанций в производстве электроэнергии в Германии составляла 43% ; к 2019 году она упала до 29,1%, а в 2020 году ожидается чуть более 20%.
Передача энергии 0,92 8% потерь в электросети
Транспортировка и переработка автомобильного бензина 0,85 Производство и поставка ископаемого топлива, такого как бензин и дизельное топливо, из сырой нефти происходит с эффективностью до 85%.
Бензиновый двигатель 0,24 Двигатели Otto имеют КПД 10–37%.

Для электричества от угольной электростанции существует энергетическая цепочка

Угольная электростанция → передача электроэнергии КПД 0,38 × 0,92 = 0,35 .

Для автомобиля на топливных элементах с производством ископаемого водорода путем электролиза энергетическая цепочка такова:

Угольная электростанция → транспорт электроэнергии → электролиз → сжатие → БСЗ → электродвигатель КПД 0,38 × 0,92 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,14 .

Для автомобиля на топливных элементах с производством ископаемого водорода путем реформирования природного газа (в настоящее время стандарт) результатом является энергетическая цепочка.

Паровой риформинг → компрессия → БСЗ → аккумулятор → электродвигатель КПД 0,75 × 0,88 × 0,6 × 0,94 × 0,95 = 0,35 .

Для электромобиля с батарейным питанием, заряжаемого чистым угольным электричеством, результатом является энергетическая цепочка

Угольная электростанция → транспорт электроэнергии → аккумулятор → электродвигатель КПД 0,38 × 0,92 × 0,94 × 0,95 = 0,31 .

Реальная структура электроэнергии в Германии увеличивает эффективность в зависимости от доли производителей электроэнергии.

Для автомобиля с бензиновым двигателем результатом является энергетическая цепь.

Транспортировка и переработка автомобильного бензина → Двигатель Отто КПД 0,85 × 0,24 = 0,20 .

Сравнение показывает, что общая эффективность водородной экономики может быть намного выше, чем у установленной экономии ископаемых источников энергии.

Для сравнения: уровни эффективности электромобилей.

Зарядка экологически чистой электроэнергией от собственного производства приводит к:

Для электромобилей с батарейным питанием и цепью энергоснабжения

Фотоэлектрическая система / инвертор → стационарный аккумулятор → аккумулятор в автомобиле → электродвигатель

эффективность 0,9 × 0,94 × 0,94 × 0,95 = 0,75 .

Для электромобилей с топливными элементами с энергетической цепью

Фотоэлектрическая система / инвертор → стационарный аккумулятор → электролиз → сжатие до 700 бар → топливный элемент → электродвигатель

эффективность 0,9 × 0,94 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,34 .

При этом не учитывается тот факт, что собственное производство водорода с использованием фотоэлектрического постоянного тока на месте и максимального сжатия / дозаправки для частного использования, в отличие от частного использования электроэнергии, технически не существует. В случае транспортировки регенеративной электроэнергии через сеть переменного тока и необходимой транспортировки водорода на заправочные станции и его хранения (в основном в виде жидкого водорода ), эффективность всей цепочки для транспортных средств на топливных элементах составляет от 20 до 25%.

Сравнение показывает, что автомобили с батарейным питанием более эффективны. Если есть дополнительная потребность в обогреве / охлаждении, энергия требуется для выработки тепла / холода. Это может сократить диапазон до 50% в зависимости от веса и температуры батареи. Даже в автомобилях на топливных элементах, как и в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания, потребление зимой значительно выше. Однако из-за большего количества передаваемой энергии это дополнительное потребление не оказывает такого значительного влияния на запас хода, как у электромобиля.

Защита окружающей среды и климата

Использование возобновляемых источников энергии часто является климатически нейтральным и без выбросов. Однако при использовании биомассы и сжигаемой древесины могут образовываться загрязнители. Кроме того, загрязнители воздуха могут также возникать во время газификации с образованием водорода или использования водорода, например оксидов азота в случае обедненного горения. Затраты на выращивание, извлечение и переработку биомассы должны приниматься во внимание с точки зрения экологии , а также эффективность системы, основанная на (теоретической) максимальной эффективности соответствующего процесса. Использование биомассы также может снизить парниковый эффект: если CO 2 образуется в концентрированной форме во время производства водорода , он может храниться под землей и, таким образом, выводиться из экосистемы.

Внесение органического кокса в поле, которое создается при соответствующем регулировании газификации, может сделать поле более плодородным и известно как terra preta .

В 2003 году ученые Калифорнийского технологического института в Пасадене на основе моделирования опасались, что комплексная водородная экономика может выбросить около 100 миллионов тонн водорода в атмосферу и, таким образом, повредить озоновый слой .

Согласно последним научным исследованиям, проведенным Forschungszentrum Jülich в 2010 году, этот эффект будет незначительным, если будут сделаны реалистичные предположения. Преобладает положительный эффект от отказа от ископаемого топлива . Первоначально предполагалось, что около 20% водорода уходит в атмосферу. Однако в связи с развитием технологий предполагается, что утечка составляет менее 2%. Кроме того, водород проявляет свой полный озоноразрушающий эффект только в присутствии ХФУ . В связи со снижением содержания ХФУ в следующие несколько лет восстановление озонового слоя будет преобладать.

Риск аварии в водородной экономике

Водород, например B. бензин или природный газ, легко воспламеняющиеся . В технических системах необходимо учитывать особые свойства водорода. Химическая промышленность использует водород в больших количествах уже более ста лет, так что накоплен достаточный опыт обращения с водородом.

Из-за своей низкой плотности водород является очень летучим газом. На открытом воздухе он может очень быстро испаряться в более высокие слои воздуха. Однако известны также реальные аварии, в которых горючие водородные смеси накапливаются на земле, потому что смеси кислород / водород с долей водорода менее 10,5  % по объему тяжелее воздуха и опускаются на землю. Расслоение не происходит немедленно, так что воспламеняемость сохраняется до тех пор, пока не будет превышен предел в 4% объема. При обращении с водородом правила техники безопасности и системы вентиляции должны учитывать это поведение.

Используемые сегодня напорные баки (в отличие от бензобаков) без повреждений выдерживают даже серьезные аварии. Водородные автомобили с напорными баками можно легко припарковать на многоэтажных автостоянках и подземных гаражах. Нет никаких юридических положений, ограничивающих это.

Напротив, автомобили с жидким водородом нельзя парковать в закрытых помещениях, так как выделение газа может вызвать скопление взрывоопасного газа.

критика

Водородная экономика нигде еще не реализована в больших масштабах, и ее возможность является спорной. Ставятся под сомнение следующие утверждения: Водородная экономика представлена ​​как альтернатива электроэнергетике. Сторонники водородной экономики подчеркивают предполагаемую лучшую емкость хранения водорода, чем у электричества. Водород обладает свойством хорошего кратковременного хранения в виде допустимых колебаний давления в трубопроводной распределительной сети (сам трубопровод является хранилищем), а также возможностью длительного хранения в кавернах (точно так же, как в настоящее время хранится природный газ. ). Необходимая электрическая энергия может быть произведена из водорода на месте с помощью топливных элементов с эффективностью, которая значительно выше, чем у немецких электростанций: однако источники, указанные для энергоэффективности топливных элементов, учитывают только преобразование природного газа. или водород в электричество, но не учитывают потери энергии, возникающие при производстве, хранении и распределении необходимого водорода. Низкое энергосодержание, связанное с объемом, также редко принимается во внимание: «40-тонный грузовик может транспортировать только 350 кг газообразного водорода, - говорит Боссель, - и даже жидкий водород такой же легкий, как пенополистирол».

Смотри тоже

литература

  • Джереми Рифкин : Революция H2. Франкфурт-на-Майне 2005, ISBN 3-596-16029-4 .
  • Джозеф Дж. Ромм: Водородный бум. Желание и реальность в гонке за защиту климата (оригинальное название: «Шумиха о водороде» , перевод Йорга Г. Мозера). Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-31570-5 .
  • Альф-Сибранд Рюле: Водород и экономика. Инвестируйте в чистое будущее. Hydrogeit Verlag, Креммен 2005, ISBN 3-937863-02-8 .
  • Карл-Хайнц Тецлафф: Водород для всех: как нам избежать нефтяной, климатической и финансовой ловушки. Книги по запросу, 2011, ISBN 978-3-8370-6116-1 .
  • Майкл Болл, Мартин Витчел (ред.): Водородная экономика: возможности и проблемы. Издательство Кембриджского университета, 2009, ISBN 978-0-521-17854-9 .

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Никола Армароли , Винченцо Бальзани : будущее энергоснабжения: проблемы и возможности. В: Angewandte Chemie International Edition . 46, 2007, 52-66, стр. 61, DOI: 10.1002 / anie.200602373 .
  2. ↑ Федеральное министерство образования и науки: Национальная водородная стратегия. Проверено 8 сентября 2020 года .
  3. ↑ Федеральное министерство экономики и энергетики: Национальная водородная стратегия. Проверено 8 сентября 2020 года .
  4. ↑ Чун Фон Ши, Тао Чжан, Цзинхай Ли, Чунли Бай: Энергия будущего с помощью Liquid Sunshine . В: Джоуль . Лента 2 , вып. 10 октября 2018 г., ISSN  2542-4351 , стр. 1925-1949 , DOI : 10.1016 / j.joule.2018.08.016 ( sciencedirect.com ).
  5. ^ Экономика метанола против экономики водорода . В: метанол . 1 января 2018 г., стр. 661-674 , DOI : 10.1016 / B978-0-444-63903-5.00025-X ( researchgate.net [PDF; доступ к 28 июля 2021]).
  6. ↑ Самуэль Саймон Арая, Винченцо Лисо, Сяоти Цуй, На Ли, Чимин Чжу: Обзор экономики метанола: путь топливных элементов . В кн . : Энергии . Лента 13 , вып. 3 , 2020, стр. 596 , DOI : 10,3390 / en13030596 ( mdpi.com [обращались 28 июля 2021]).
  7. ↑ Жюль Верн: Таинственный остров. 1875. (1999, ISBN 3-401-00260-0 ).
  8. ↑ Джон Бердон Сандерсон Холдейн: Дедал или Наука и будущее. Drei Masken Verlag, Мюнхен, 1925 г.
  9. ↑ History of Hydrogen (Источник: Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк, по состоянию на 4 августа 2011 г.)
  10. ↑ а б Джозеф Дж. Ромм: Водородный бум. 1-е издание. Wiley-VCH Verlag, 2006, ISBN 3-527-31570-5 .
  11. ^ Джон О. М. Бокрис, Эдуард В. Джусти: Водород. Энергия на все времена. Концепция солнечно-водородной экономики. Август Верлаг, 1990, ISBN 3-8043-2591-2 .
  12. ↑ Гид по водороду : история (Источник: Hydrogeit)
  13. ↑ ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах: Исландия на пути к водороду. ) (Источник: Немецкая ассоциация водорода, 21 октября 1999 г .; PDF; 32 kB)@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / www.h2de.net
  14. ↑ Джереми Рифкин: Революция H2 . Campus Verlag, Франкфурт-на-Майне 2002, ISBN 3-593-37097-2 .
  15. ↑ Нефтяной кризис меняет глобализацию (источник: Die Zeit, по состоянию на 3 июня 2008 г.)
  16. ↑ Ульф Боссель: Будущее водородной экономики: светлое или мрачное? (PDF; 246 кБ). 15 апреля 2003 г., по состоянию на 11 сентября 2013 г.
  17. ↑ Goodbye Hydrogen, Раздел: Видения для Политики. на: heise.de , 24 мая 2007 г., по состоянию на 11 сентября 2013 г.
  18. ↑ a b c Письменная декларация по водородной экономике от 12 февраля 2007 г. (источник: Европейский парламент)
  19. ↑ a b Производство водорода Hydrogeit (источник: Hydrogeit Verlag)
  20. ↑ Фолькер Квашнинг : Регенеративные энергетические системы. Технология - расчет - моделирование. 8-е, обновленное издание. Мюнхен 2013, с. 49.
  21. ↑ Сара Беккер и др.: Характеристики полностью возобновляемой электроэнергетической системы США: оптимизированное сочетание ветряных и солнечных фотоэлектрических модулей и расширений передающей сети. В кн . : Энергия . Том 72, 2014 г., стр. 443-458, стр. 443, DOI: 10.1016 / j.energy.2014.05.067 .
  22. ↑ Марк З. Якобсон , Марк А. Делукки, Обеспечение всей глобальной энергии ветром, водой и солнечной энергией, Часть I: Технологии, энергетические ресурсы, количество и площади инфраструктуры, а также материалы. В кн . : Энергетическая политика . Том 39, 2011 г., стр. 1154–1169, DOI: 10.1016 / j.enpol.2010.11.040 .
  23. ↑ Фолькер Квашнинг: Регенеративные энергетические системы. Технология - расчет - моделирование. 8-е, обновленное издание. Мюнхен, 2013, с. 373.
  24. ↑ Энергоэкономическая и экологическая оценка предложения ветряного газа. ( Памятка от 24 декабря 2014 г. в Интернет-архиве ), стр. 18. Fraunhofer IWES . Проверено 14 ноября 2014 года.
  25. ^ Дан Гао, Дунфан Цзян, Пей Лю, Чжэн Ли, Сангао Ху, Хун Сюй: интегрированная система хранения энергии на основе хранения водорода: конфигурация процесса и тематические исследования с использованием энергии ветра. В кн . : Энергия . Том 66, 2014 г., стр. 332-341 doi: 10.1016 / j.energy.2014.01.095 .
  26. ↑ Водородная гибридная электростанция (источник: Enertrag от 18 января 2011 г .; PDF; 37 kB)
  27. ↑ Интервью с членом правления Enertrag Вернером Дивальдом (по состоянию на 12 мая 2011 г., источник: Autogazette)
  28. ↑ С ветровым газом при отказе от ядерной энергии (источник: портал для прессы от 17 марта 2011 г.)
  29. ↑ Audi дает Co2 шанс (источник: Heise от 18 мая 2011 г.)
  30. ↑ Производитель автомобилей как экоактивист (Источник: Der Spiegel. По состоянию на 13 мая 2011 г.)
  31. ↑ Солнечный водород (Источник: Исследовательская ассоциация по возобновляемым источникам энергии. Статус: 2002; PDF; 289 kB)
  32. ↑ Пресс-релиз Fraunhofer CBP: Зеленый водород. Fraunhofer Центр химико-биотехнологические процессы CBP, 21 октября 2016, доступ на 29 января 2018 года .
  33. ↑ Сайт в формате PDF Федерального министерства экономики. Проверено 8 июля 2015 года.
  34. ↑ a b Результат энергетических сценариев федерального правительства (источник: Informationsdienst Wissenschaft IDW по состоянию на 28 апреля 2011 г.)
  35. ↑ a b Ульф Боссель: Водород не решает никаких энергетических проблем. В: Оценка технологий - теория и практика. Апрель 2006 г., по состоянию на 24 сентября 2014 г.
  36. ↑ Трубопроводная технология. (PDF; 1,2 МБ). В кн . : Биогидрогенмагазин. Издание 18-е, с. 33.
  37. ↑ Добавление водорода в сеть природного газа (источник: Немецкая ассоциация газа и воды, октябрь 2010 г .; PDF; 180 kB)
  38. ↑ Газопроводы для хранения энергии ветра (источник: Heise на 18 апреля 2011 г.)
  39. ↑ a b c водородный транспорт (источник: H2 Works)
  40. ^ Энергетическая инициатива острова Стюарт. Проверено 19 апреля 2019 года .
  41. ↑ Сохранение зеленой электроэнергии как природного газа (источник: Институт Фраунгофера, по состоянию на 26 апреля 2010 г.)
  42. ↑ В стране должна быть построена водородная инфраструктура для перспективного использования энергии и устойчивой мобильности. ( Памятка от 23 января 2011 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Министерство окружающей среды, защиты климата и энергетики, Баден-Вюртемберг, 19 января 2011 г.)
  43. ↑ Германия на пути к водородной экономике. ( Памятка от 23 сентября 2015 г. в Интернет-архиве )
  44. ↑ Водород по трубопроводу с промплощадки Leuna ( Memento от 10 января 2014 г. в Интернет-архиве )
  45. ↑ Водород - новый энергоноситель. ( Памятка от 25 октября 2007 г. в Интернет-архиве ) Немецкая ассоциация водорода и топливных элементов e. V. Интернет: dwv-info.de
  46. ↑ Майкл Бертрам: Промышленность: Fraunhofer-Gesellschaft инвестирует шесть миллионов евро в Leuna . В: Mitteldeutsche Zeitung . 18 ноября 2015 г. ( mz-web.de [доступ 29 января 2018 г.]).
  47. ↑ Транспорт водорода (источник: TÜV Süd)
  48. ↑ Водород как энергоноситель. ( Памятка от 5 февраля 2009 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Air Liquide)
  49. ↑ a b В пути на водороде 7-й серии , в: heise online, 22 ноября 2006 г., по состоянию на 8 февраля 2012 г.
  50. ↑ a b Подогреватель топливных элементов - данные и факты. ( Памятка от 28 февраля 2013 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Vaillant Group; PDF; 83 kB)
  51. ↑ Ричард Хербрик: Энергетические и тепловые технологии. 2-е издание. BG Teubner Stuttgart 1993, глава 4.1.
  52. ↑ Принцип работы топливных элементов (источник: Network Fuel Cell и Hydrogen NRW)
  53. ↑ Знание топливных элементов (источник: Hydrogeit Verlag)
  54. ↑ CleanEnergy WorldTour 2001: Финал в Берлине. BMW Group, 8 ноября 2001 г., по состоянию на 19 апреля 2019 г. (пресс-релиз).
  55. ↑ Маркус Фассе: Производитель автомобилей: BMW теряет веру в водородные двигатели. Handelsblatt , 7 декабря 2009, доступ к 19 апреля 2019 года .
  56. ↑ Масштабные испытания в Гамбурге - новый автобус Mercedes на топливных элементах потребляет на 50% меньше водорода. ( Памятка от 13 декабря 2010 г. в Интернет-архиве ) В: ATZ Online. 19 ноября 2009 г., вставлено 15 февраля 2012 г.
  57. ↑ Генеральный директор GM: электромобили требуют командной работы; автомобили на водороде в 10 раз дороже Volt ( Memento от 1 января 2010 г. в Интернет-архиве ) 30 октября 2009 г. (Источник: Washington Post)
  58. ↑ Майкл Шпехт: Топливные элементы как двигатель: почему Toyota переходит на водород . В: Spiegel Online . 19 ноября 2017 г. ( spiegel.de [доступ 19 ноября 2017 г.]).
  59. ↑ Дж. Вильмс: Водородные автомобили установили мировой рекорд . В: Время. 26 апреля 2012 г.
  60. ↑ Mercedes B-Class F-Cell в мировом турне (источник: Heise по состоянию на 31 января 2011 г.)
  61. ↑ Будущее железных дорог: hydrail.org
  62. ^ Разработка первого в мире гибридного железнодорожного вагона на топливных элементах . (11 апреля 2006 г.) Восточно-Японская железнодорожная компания. Проверено 18 июня 2013 года.
  63. ^ Министр Ложь: Будущее начинается в Нижней Саксонии. (Больше не доступны в Интернете.) Архивировано из оригинала на 10 ноября 2017 года ; Доступ к 10 ноября 2017 года .
  64. ↑ Андреас Вилкенс: Поезда на топливных элементах должны заменить тепловозы в Нижней Саксонии. Heise онлайн, 10 ноября 2017, доступ к 10 ноября 2017 года .
  65. ↑ Бенедикт Фогель: SBB Минибар: Благодаря топливным элементам теперь еще и капучино. ( Памятка от 8 мая 2014 г. в Интернет-архиве ) от имени Швейцарского федерального управления энергетики, SFOE, доступ осуществлен 8 мая 2014 г.
  66. ↑ ecomento.de
  67. ↑ Федеральное правительство и промышленность создали сеть из 50 водородных заправочных станций. ( Памятка от 2 декабря 2013 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Федеральное министерство транспорта, строительства и градостроительства, по состоянию на 20 июня 2012 г.)
  68. ↑ watt gehtab.com, 21 марта 2011 г .: Mercedes-Benz строит серийное производство топливных элементов. ( Памятка от 12 сентября 2013 г. в Интернет-архиве )
  69. ↑ caranddriver.com, март 2013 г .: Mercedes-Benz B-class Electric Drive 2014 г. , по состоянию на 11 сентября 2013 г.
  70. ↑ ecomento.de
  71. ↑ stromauskunft.de
  72. ↑ de.statista.com
  73. ↑ Экономика европейской водородной инфраструктуры для автомобилестроения ( памятная записка от 25 января 2012 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Международный день водорода. Статус: 24 февраля 2005 г.; PDF; 149 КБ)
  74. ↑ Производство водорода из биомассы (Раздел II. Эффективность) (Источник: H2 Works)
  75. ↑ Водородный высокопроизводительный электролизер (источник: Hydrogeit Verlag)
  76. ↑ Виктор Весселак , Томас Шаббах , Томас Линк, Иоахим Фишер, Handbuch Regenerative Energietechnik , Берлин / Гейдельберг, 2017, стр. 6.
  77. ↑ Тест-драйв в Toyota FCHV adv (источник: Heise, по состоянию на 29 июля 2011 г.)
  78. ↑ energy-charts.de
  79. ↑ energy-charts.de
  80. ↑ Уровни эффективности ... различных энергетических цепочек. ( Памятка от 1 ноября 2012 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Водородный центр Австрии, состояние: 2009 г .; PDF; 178 kB)
  81. ↑ Ассортимент электромобилей зимой резко падает (источник: Heise.de на 14 декабря 2011 г.)
  82. ↑ Водород как убийца озона? (Источник: Umweltdialog.de Mediengruppe macondo по состоянию на 30 сентября 2003 г.)
  83. ↑ Водород не представляет угрозы для озонового слоя (источник: Energie Agentur NRW по состоянию на 25 февраля 2010 г.)
  84. ^ Немецкая ассоциация водорода и топливных элементов: Водород - новый энергоноситель. ( Памятка от 31 января 2012 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 153 кБ), по состоянию на 22 марта 2004 г.
  85. ↑ Медиа-форум German Hydrogen Day, Аксель Степкен: Водород - безопасен, как бензин (PDF; 704 kB).
  86. ↑ ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах: д-р Генри Портц, специалисты по пожарной безопасности определяют загадочную причину пожара. ) ZDF Abenteuer Wissen от 11 июля 2007 г., добавлено 9 февраля 2012 г.@ 1@ 2Шаблон: Toter Link /ablebniswissen.zdf.de
  87. ↑ Эффектные испытания показывают: водород в автомобиле не должен быть опаснее бензина. ( Памятка от 29 мая 2012 г. в Интернет-архиве )
  88. ↑ Аспекты безопасности при использовании водорода. ( Памятка от 6 марта 2012 г. в Интернет-архиве )
  89. ↑ Видео: краш-тест Университета Майами
  90. ↑ Миф о водороде. В: время онлайн. 7 октября 2004 г.
  91. ↑ Ульф Боссель: Водород не решает никаких энергетических проблем. В: Оценка технологий - теория и практика. 15-й год, No. 1 апреля 2006 г. ( tatup-journal.de , PDF)
  92. ↑ Fa Gennex: Модуль топливных элементов для высокоэффективного производства электроэнергии ( Memento от 10 июля 2015 г. в Интернет-архиве ) (Источник: Ceramic Fuel Cells GmbH. Статус: апрель 2010 г .; PDF; 362 kB)
  93. ↑ ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах: Силовые модули топливных элементов от HYDROGENICS ) (Источник: Hydrogenics GmbH, 2009 г .; PDF; 2,3 МБ)@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / www.hydrogenics.com
  94. ↑ Энергоэффективность в электроэнергетике. ( Памятка от 15 сентября 2012 г. в веб-архиве archive.today ) (Источник: Федеральное агентство по окружающей среде. По состоянию на июль 2009 г.)
  95. ↑ « Оценка технологий, теория и практика», № 1, том 15 - апрель 2006 г., стр. 27–33: Водород не решает энергетические проблемы , по состоянию на 14 августа 2012 г.
  96. ↑ heise.de, 24 мая 2007 г .: Прощай, водород, раздел: Хранение разрушает энергию , просмотрено 11 сентября 2013 г.