aktuell – historisch
Fachbuch: Das System Brennstoffzelle – Wasserstoffanwendungen ganzheitlich entwickeln
Der Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffzellen wird in der energiepolitischen Debatte heiß diskutiert. Ist Wasserstoff der Champagner oder der Hoffnungsträger der Energiewende? Überzeugen Wasserstoffautos mit ihrer hohen Reichweite oder muss die Effizienz der Brennstoffzellentechnik noch gesteigert werden?
Dieses Buch stellt das System Brennstoffzelle in ganzheitlicher Weise vor. Es widmet sich dem technologischen Zusammenwirken von Wasserstoff (Energieträger) und Brennstoffzelle (Energiewandler) sowie deren Rollen im Gesamtgefüge regenerativen Energiesysteme. Darüber hinaus vermittelt es grundlegende Kenntnisse zur Entwicklung und Konstruktion von Wasserstoffsystemen – von Geräten bis hin zu Großanlagen.
E. Wagner: Das System Brennstoffzelle, HANSER, 2023
Potenzialanalyse: Grüner Wasserstoff – Chancen und Risiken
Eine weitflächige Verbreitung von einzelnen Grossanlagen UND vielen kleinen Erzeugungsanlagen für grünen Wasserstoff birgt ein enormes Potenzial – vor allem für den deutschen Mittelstand. Im Rahmen einer Vertriebstagung der Barksdale GmbH wurden neben den ökologischen und wirtschaftlichen Bedingungen, auch die technischen Besonderheiten von Wasserstoff diskutiert. Für den Hersteller von Wasserstoff-Drucksensoren ergeben sich hieraus neue vielversprechende Geschäftsfelder.
Auftraggeber: Barksdale GmbH, Reichelsheim (Hessen)
Zeitraum: Mai/Juni 2023
Beratungsprojekt: Landwirtschaftlicher Betrieb mit grünem Wasserstoff
Bedarfsplanung: Konzeption eines Inselbetriebs zur unabhängigen regenerativen elektrischen Versorgung eines landwirtschaftlichen Betriebs mit hunderten von Milchkühen (mit hohem Verbrauch für Kühlung, Futterautomaten, etc.). Die elektrische Versorgung erfolgt über eine große PV-Anlage mit Batteriespeicher, Biogasanlage und Elektrolyseur zur Produktion von grünem Wasserstoff. Dieser soll getrocknet, komprimiert und in handelsübliche Druckgas-Stahlflaschen (mit Drücken von 200 oder 300 bar) abgefüllt werden. Geplant ist der Verkauf in Standard-Gitterboxen per LKW an Gashändler oder Wasserstofftankstellen.
Auftraggeber: Becker in Ernzen
Projektzeitraum: Mai/Juni 2021
Forschungsprojekt: Regenerative alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Herausforderung: Erforschung von Gasdiffusionselektroden mit Raney-Nickel-Katalysatoren zur hocheffizienten bidirektionalen Energiewandlung zwischen elektrischer Energie und Wasserstoff. Untersucht wurden mikro-thermomechanische Wirkungsweisen sowie der praktische Versuch mit einer kleinen alkalischen Brennstoffzelle mit Elekrolytspalt im Elektrolyse- wie im Brennstoffzellenbetrieb. Es wurden Speicherwirkungsgrade (round-trip-efficioency) von bis zu 70 Prozent erzielt.
Projektpartner: Gaskatel GmbH (Kassel) und Frankfurt University of Applied Sciences
Veröffentlichung: E. Wagner, H.J. Kohnke, Fuel Cells, 2020, 20, No. 6, pp. 718-729
Forschungsprojekt: Syntropie-Kennzahl
Kerngedanke: Niederwertige Wärmeenergie (Entropie), strebt stets eine Maximierung der Unordnung an. Geordnete Energieformen (Exergie) wie mechanische Energie oder elktrischer Strom beinhalten neben der physikalischen Energie zusätzlich eine bisher nicht quantifizierte Form von Hochwertigkeit, Komplexität oder Information (Syntropie). Wird die Exergie in einer dissipativen Struktur (z.B. ein Wirtschaftsunternehmen) abgewertet und Entropie produziert, so entfaltet sich die Syntropie und wird durch einen Informationsgewinn (mit Überraschungseffekt) sichtbar. Die Syntropie-Kennzahl (Syntropie-Index) gibt an, wie effizient eine Struktur Information aus Energieströmen generieren kann. Sie ist daher auch kennzeichnend für die Anpassungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Energiesystemen.
Veröffentlichung: E. Wagner, Ökologisches Wirtschaften 3, 2018
Forschungsprojekt: Mikro-Holzgasbrenner
Holzpellets enthalten auf natürlichem Wege gespeicherte Sonnenenergie. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf und sind als Schüttgut im Handel kostengünstig erhältlich. Erhitzt man die kleinen Presslinge über eine bestimmte Temperatur hinaus, so setzen sie ein leicht brennbares Holzgas frei. Auf Grund dieser Vorteile haben sich bereits eine Reihe von Heizgeräten für Wohn- und Gewerbergebäude etabliert. Die Heizleistung dieser Anlagen reicht von rund 5 kW bis zu 100 kW. Doch auch für den mobilen Bereich ergeben sich interessante Anwendungsmöglichkeiten des erneuerbaren Brennstoffes. Hierfür ist allerdings ein Down-Scaling gegenüber herkömmlichen Geräten um den Faktor 10 erforderlich. In einem aktuellen Forschungsprojekt wurde nun ein Prototyp eines kompakten Pellet-Holzgasbrenners aufgebaut. Die Leistung läßt sich in einem Bereich zwischen 500 und 2000 Watt sehr gut einstellen. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt neben der Neukonzeption der mechanischen Verfahrenstechnik in der Konstruktion des Brennraumes, der thermischen Prozessführung und der sensorgesteuerten Regelung. Unanbhängiges Forschungsprojekt von ennoble power.
Gebrauchsmuster: Heizegrät, DE202018001770U1
Konzeptstudie: Wasserstofftankstelle
Die nächste Generation der Elektromobilität wird neben hochstromfähigen Akkumulatoren auch Brennstoffzellen mit an Bord führen. Hiermit kann in einem kontinuierlichen Fließprozess elektrische Energie für das Laden der Akkus oder den direkten Antrieb bereit gestellt werden. Die Reichweite der Fahrzeuge kann auf diese Weise gut verdreifacht werden. Nach einer Studie von McKinnsey werden bereits im Jahr 2025 mehrere Hunderttausend Brennstoffzellen PKW auf Deutschlands Strassen unterwegs sein. Wasserstoffgas kann vergleichbar mit herkömmlichem Benzin – unter Druck – getankt werden. Hierfür stehen jedoch erst gut ein Dutzend öffentliche Tankstellen in Deutschland bereit. In einer aktuellen Konzeptstudie wurde nun eine wirtschaftlich interessante Allternative aufgezeigt: Mit einer kleinen Geräte-Einheit kann mit Strom aus der Solarstromanlage der Sprit für den täglichen Pendelverkehr im eigenen Carport kostengünstig produziert werden. Für eine spezielle Verdichtersteuerung und Ventiltechnik wurde ein Patent vom DPMA erteilt. Unabhängige Studie von ennoble power.
Patent: DE102016208889A1
Grundlagenforschung: Verdampfung an der 3-Phasen-Kontaktlinie
In einer komplexen Siedeapparatur werden einzelne Dampfblasen auf der Oberseite einer dünnen Heizfolie erzeugt. Auf der Rückseite der Heizfolie lässt sich mittels einer IR-Kamera der Temperaturabdruck des anwachselnden Blasenfusses darstellen. Hier existiert die so genannte Mikrozone, ein sehr schmaler Bereich an der 3-Phasen-Kontaktlinie zwischen Heizwand, Flüssigkeit und Dampf. Nach theoretischen Modellen von P. Stefan kommt es auf einer Ausdehnung von wenigen Mikrometern zu einer sehr starken lokalen Verdampfung. In den Versuchen konnte, nach Lösen des inversen Wärmeleitproblems, einen ringförmigen Bereich mit extrem hoher Wärmestromdichten bildhaft dargestellt werden. Um das Blasenwachstum und damit die Geschwindigkeit des Blasenfusses deutlich zu verlangsamen wurden einige Versuche in der Schwerelosigkeit durchgeführt. Diese fanden an Bord eines umgebauten A300 im Rahmen einer ESA Parabelflug-Campagne statt.
Veröffentlichung: Hochauflösende Messungen beim Blasensieden von Reinstoffen und binären Gemischen, Sahker-Verlag, Aachen 2009, Doktorarbeit am Fachgebiet für Technische Thermodynamik, TU Darmstadt
NODE Nachwuchspreis: 1. Platz 2007
Beim NODE Nachwuchspreis für nachhaltige Technik und Architektur in Rechenzentren wurden innovative Konzepte zur Kühlung von Server-Racks in Rechenzenren gesucht. Die „Konzeptskizze eine solar basierten Energiesystems für Hochleistungs-Rechenzentren“ stellte hierbei einen ganzheitlichen Ansatz vor, bei dem unterschiedliche Energieformen entsprechend ihrer optimierten Verwedung eingesetzt wurden. Die Konzeptskizze erzielte hierbei den Ersten Platz und wurde in Frankfurt am Main mit einem Preisgeld von 5.000 € dotiert.
Sponsor: SCHNABEL AG
Beratungsprojekt: green-i-tower
Moderne Rechenzentren verwalten, speichern und verarbeiten riesige Datenmengen in so genannten Server-Racks. Nebenbei wird bei diesen Prozessen auch eine große Menge Wärme produziert, die aufwendig abgeführt werden muss. So müssen Rechenzentren häufig über ein Drittel ihrers Energiebedarfs für Vetnilation und Kühlung aufwenden. Um dem zu entgegnen wurde der Green-i-Tower konzipiert: Ein Mega-Rechenzentrum in Form eines hohen Turmes, in dem die Server-Racks auf jeder Ebene ringförmig um einen Frischluftschacht angeordnet sind. Durch die hierbei entstehende vertikale Thermik kann auf ein Großteil der Ventilatoren verzichtet werden. Da in einer äußeren Glashülle zusätzlich warme Luft nach oben strömt, können – nach dem Prinzip eines Aufwindkraftwerks – Turbinen zur Stromerzeugung in der Spitze des Turms angetrieben werde. Es wurden insbesondere die Thermodynamik und Strömungsmechanik im Aufwindkraftwerk berechnet.
Auftraggeber: Dipl. Ing. Architekt Bernhard Lenz, Fachbereich Architektur, TU Darmstadt, FG Entwerfen und Gebäudetechnologie.
Forschungsprojekt: Alkalische Brennstoffzellen
Alkalische Elektrolyse- und Brennstoffzellen bieten einige Vorteile gegenüber PEM-Brennstoffzellen: Sie haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und sie können mit verhältnismäßig günstigen Materialen hergestellt werden. Für die Katalysatoren können statt Platin, Raney-Nickel und Kohlenstoff eingesetzt werden und statt Nafion-Membranen kommt einfache Kalilauge zum Einsatz. In einem Forschungsprojekt wurden daher mehrere alkalische Brennstoff- und Elektrolysezellen konstruiert und hinsichtliche einer Anwendung für kleiner Verbraucher analysiert. Hierzu wurden Gasdiffusionselektroden eingesetzt, die von der Firma Gaskatel in Kassel gestiftet wurden. Die Zellen wurden unter anderem in einem Versuchsstand für Studentenpraktika eingebaut.
Projektpartner: Gaskatel GmbH (Kassel), TU Darmstadt, Fachgebiet für Regenerative Energien