Warum benötigt man die Speicherung und den Transport von Wasserstoff?
- Erzeugung und Verbrauch sind zeitlich und räumlich voneinander getrennt
Welche 2 Grundproduktionen gibt es für grünen Wasserstoff?
- Elektrolyse
- Biomasse/Biogas
Welche 3 Übergruppen gibt es bei den Endprodukten der Umwandlung und dem Gebrauch von Wasserstoff?
- Kraftstoff (H2, SAF, Heizen)
- Strom
- Feedstock (Ausgangsmaterialien) (Ammoniak, DRI, Veredelung H2)
Nenne die 3 Unterscheidungsmerkmale für Speicherung und Transport
- Art der Aufbereitung
- Zweck der Speicherung
- Art des Transports
Welche Arten der Aufbereitung von H2 gibt es?
- Physikalisch: Kompression, Verflüssigung
- Stofflich: Anbindung an Trägersubstanz, Erzeugung von trägersubstanzen
Welchen Zweck hat die Speicherung?
- Saisonal
- Pufferspeicher
Welche Arten des Transports gibt es?
- Kontinuierlich
- Diskontinuierlich
Stufe die genannten Beispiele nach den oben genannten Kriterien ein:
- Schiff (Physikalisch, stofflich oder Trägersubstanz möglich, mobil, diskontinuierlich)
- Pipeline (Physikalisch CH2, kontinuierlich)
- Absorptionsspeicher (Diskontinuierlich, stationär/mobil, Pufferspeicher)
- LKW-Trailer (Physikalisch, stofflich oder Trägersubstanz möglich, mobil, diskontinuierlich)
Was ist der Vorteil von grünem Wasserstoff gegenüber Erdgas im Bezug auf Länderabhängigkeit?
- Erdgas große Abhängigkeit von Russland
- Grünes H2 weltweit in vielen Ländern möglich à politische Abhängigkeiten sind weniger
Energiebedarf Duschen Beispiel: Wie viel Spart man dadurch?
- E=c*m*(T(duschen)-T(Wasserversorgung)) Wasserverbrauch halbieren spart die Hälfte der Energie Geringere Duschtemperatur spart ebenfalls (pro Grad 4,18 kJ/kg(H2O))
Was sind typische Eigenschaften von H2?
- Farblos, geschmacklos, geruchlos
- Hohe Diffusionsrate
- Geringe Dichte (Normal roh=0,0899 kg/m³)
- Reaktionsfreudig, leicht entzündlich
- Selten auf Erde
- Atomare Form nur durch hohen Energieeinsatz erreichbar
Warum macht ein E-LKW keinen Sinn?
- Zu schwer
- Zu hohe Ladeleistung notwendig, um LKW in Pausenzeit des Fahrers zu laden
Wofür wird H2 aktuell eingesetzt?
- Synthesegas
- Reduktionsmittel (Stahl)
- Kraftstoffherstellung/Ammoniakherstellung
Was ist der H2 Bedarf von DE?
- Ca. 450.000t (davon ca 175.000 grau)
Was ist der zukünftige Einsatz?
- Grüne Chemie
- Stahlherstellung
- Mobilität
- Energieerzeugung
Warum heißt es Hydrogen?
- Hydro = Wasser, gen= Erzeugen à Wasser erzeugender Stoff
Was sind die wesentlichen Prozessschritte bei der Wasserstoffherstellung und -verarbeitung?
- Herstellung: Elektrolyse
- Umwandlung: Kompression, Verdichtung, Umwandlung
- Transport (kontinuierlich, diskontinuierlich)
- Verbrennung, Oxidation, Rückverstromung
Wann darf man ein Gas als Ideal annehmen?
- Niedrige Drücke und hohe Temperaturen (Ausnahmen gibt es!!!)
Welche Molekularen Zustände hat Wasserstoff und wie ist die Verteilung bei Normalbedingungen und wieso verändert sich diese bei Temperaturverringerung?
- Ortho: gleichsinniger Kernspinn
- Para: Wechselsinniger Kernspinn
- Bei 25°C und 1atm ca. 75% ortho und 25% para
- Bei Verringerung der Temperatur steigt der para Anteil (flüssig 99% para)
Warum gibt es bei flüssigem Wasserstoff überwiegend p-H2?
- P-H2 ist energieärmer
Welche Thermischen Zustandsgrößen gibt es?
- Druck p
- Temperatur T
- Volumen V
Wie lautet die Thermische Zustandsgleichung?
- F(p,T,V)=0
Wie lautet der Zusammenhang der Zustandsgrößen (Gasgleichungen)?
- Ideales Gas: p*V=m*R*T
- Reales Gas: p*V=z*m*R*T (z=Realgaszahl)
Was ist das spezifische Volumen?
- Das auf die Masse bezogene Volumen in [m³/kg]
- v=1/roh=V/m
Wovon ist die Realgaszahl z abhängig?
- Von Druck und Temperatur
Was sagt z aus?
- Z ist ein Maß für die Abweichung des realen Gases vom idealen
- Z>1, Volumen Realgas größer Idealgas à Stärkere Abstoßung der Moleküle
- Z<1, Volumen Realgas kleiner Idealgas à Stärkere Anziehung der Moleküle
Wie verhalten sich die Realgaszahlen von H2 und Methan?
- Z(CH4, 0°C)<1
- Z(H2, -200°C bei p<135 bar)<1, höherer Druck z>1
- Z(H2, -100°C, 0°C, 80°C)>1
Was versteht man unter Systemdruck und Überdruck?
- p=p(a)=p(o)+p(ü) p=p(a): Absolutdruck p(o): Umgebungsdruck p(ü): Sytstemdruck/Überdruck
Wie erhält man den Wert z?
- Tabellenwerte oder aus Diagramm ablesen
- Iterativ Berechnen 1. Berechnen des spezifischen Volumens mittels ideale Gasgleichung
2. z mit Peng-Robinson berechnen 3. Dichte mit Realgasgleichung berechnen 4. Neues spezifisches Volumen in 2. Einsetzen
Welche Werte können der Dampfdruckkurve entnommen werden und wie lautet die Achsenbeschriftung?
- X-Achse: Temperatur
- Y-Achse: Druck
- Schmelztemperatur: -259,19°C
- Siedetemperatur: -252,76°C
- Kritische Temperatur: -239,97°C (bei höherer Temperatur keine Verflüssigung auch bei sehr hohen Drücken)
- Kritischer Druck: 13,13bar (bei höherer Drücken keine Verflüssigung auch bei sehr geringen Temperaturen)
- Triplepunkt: alle 3 Aggregatszustände gleichzeitig
- Oberhalb kritischer Punkt (T(k) und p(p)): flüssig und gasförmig gehen ineinander über
Wie lautet der 1. Hauptsatz der Thermodynamik?
- Die Gesamtenergie innerhalb eines geschlossenen Systems bleibt immer gleich, da Energie nicht erzeugt/verbraucht werden kann, sondern nur transportiert und umgewandelt werden kann
- E=W+Q+K W=Arbeit Q=Wärme K=Energietransport
Wie ist die innere Energie eines ruhenden, geschlossenen Systems definiert?
- U=E-E(kin)-E(pot)
Was versteht man unter einer Zustandsänderung?
- E(2)-E(1)=Q(12)+W(12)+K(12)
Welche Arten der mechanischen Arbeit gibt es??
- Mechanische Arbeit und Leistung
- Volumenänderungsarbeit
- Nutzarbeit
Welche Art der Arbeit gibt es noch?
- Elektrische Arbeit (z.B. ein elektrischer Leiter, der die Systemgrenzen überschreitet)
Was versteht man unter einer Bilanzgrenze?
- Abgrenzung des Betrachteten Raums gegenüber der Umgebung
Was versteht man unter adiabat, isobar, isotherm, isochor?
- Adiabat: kein Wärmeübergang über Bilanzgrenze
- Isobar: Zustandsänderung bei p=konst.; dp=0
- Isotherm: Zustandsänderung bei T=konst.; dT=0
- Isochor: Zustandsänderung bei V=konst.; dV=0
Was versteht man unter einem offenen und einem geschlossenen System?
- Offen: für Stoffe durchlässige Bilanzgrenze
- Geschlossen: kein Massenstrom über Bilanzgrenze; dm=0
Was versteht man unter innerer Energie?
- Spezifische innere Energie: u=U/m=u(v,T)
- Die innere Energie (U) eines thermodynamischen Systems ist die Gesamtenergie, die in diesem System aufgrund der molekularen Bewegungen und Wechselwirkungen der Teilchen vorhanden ist. Die innere Energie umfasst verschiedene Arten von Energie, darunter kinetische Energie (aufgrund der Bewegung der Teilchen) und potenzielle Energie (aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Teilchen)
Was versteht man unter Enthalpie?
- h=h(T,p)=u+p*v
- Enthalpie (H) ist eine thermodynamische Zustandsgröße, die die Gesamtenergie eines Systems bei konstantem Druck repräsentiert. Sie setzt sich aus der inneren Energie (U) und dem Produkt aus Druck (P) und Volumen (V) zusammen
Wie lautet die Energiebilanz eines offenen Systems?
Wie lautet der 2. Hauptsatz der Thermodynamik?
- Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Entropie eines abgeschlossenen Systems nie abnimmt, sondern im Idealfall konstant bleibt (in einem reversiblen Prozess) oder zunimmt (in einem irreversiblen Prozess)
Was ist Entropie?
- Entropie ist ein Maß für die Unordnung, Formelzeichen S
Wie lautet die Gibbsche Fundamentalgleichung und was besagt diese?
- Die Gibbsche Fundamentalgleichung ist eine fundamentale Beziehung in der Thermodynamik, die die Änderung der Freien Enthalpie (G) eines Systems in Bezug auf Druck (P), Temperatur (T), und die Stoffmengen der beteiligten Komponenten beschreibt
Wie ermittelt man die Spezifische Wärmekapazität (isochor)?
- Bsp.: Speicherung von Energie ohne Volumenänderung, Berechnung der Energie die notwendig ist, um 1kg Medium um 1K zu erwärmen bei isochoren Bedingungen
- du=c(v)*dT
- Tangente an Isochore im Zustandspunkt im T-s-Diagramm anlegen
Wie ermittelt man die Spezifische Wärmekapazität (isobar)?
- Berechnung der Energie die notwendig ist, um 1kg Medium um 1K zu erwärmen bei isobaren Bedingungen
- dh=c(p)*dT
- Tangente an Isobare im Zustandspunkt im T-s-Diagramm anlegen
Wie hängen c(p) und c(v) zusammen?
- Isentropenexponent κ=c(p)/c(v)
- c(p)-c(v)=R
Wie lautet die Gleichung für die Reale Zustandsänderung und wie verlaufen diese?
- Polytrop à p*vn=konst
- n=1: Isotherm
- n=0: isobar
- n=κ: isentrop
- n=∞: isochor
Gleichungen zur Berechnung von idealen Zustandsänderungen. Wie erzeugt man daraus eine reale Zustandsänderung?
Was versteht man unter dem Isentropenwirkungsgrad?
- Vergleich des idealen (isentropen) Prozesses mit der realen Zustandsänderung. Ursachen für Unterschied sind zum Beispiel Reibungsverluste
Welche weiteren Wirkungsgrade gibt es?
- Mechanischer Wirkungsgrad
- Antriebswirkungsgrad
- …
Was kann man mit der Gibb’schen Phasenregel berechnen und wie lautet diese?
- Die Anzahl der Freiheitsgrade eines System
- F=N+2-π F=Freiheitsgrade N=Komponenten π=Phasen
Berechne die Anzahl der Freiheitgrade für H2 homogen, H2 bei Überschreitung der Dampfdrucklinie und H2 im Tripelpunkt
- H2 Homogen: N=1, π=1à F=2 (p und T)
- H2 bei Überschreitung der Dampfdrucklinie: N=1, π=2à F=1 (p oder V oder T)
- H2 im Triplepunkt: N=1, π=3à F=0
Was versteht man unter dem Joule-Thomson-Effekt und was ist die Ursache hierfür?
- Bei einer Isentropen Drosselung eines Strömenden Fluids geschieht eine Temperaturänderung. Diese kann aus dem h-T-Diagramm abgeleitet werden
- Die Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen
- Bei großem Abstand ziehen sich Teilchen an à bei Vergrößerung des Abstandes muss Energie hinzugefügt werden à Wärme aus Umgebung à Abkühlung
- Bei geringen Abstand stoßen sich Teilchen ab à Vergrößerung des Abstandes wird Energie frei à Erwärmung
Wie sieht dies bei H2 aus?
- Es gibt Druckbereiche, bei denen isenthalpe Drosselung zu einer Fluiderwärmung und anderen zu einer Fluidabkühlung führt
Was bedeutet ein Reinheitsgrad von 4.8 und welcher Reinheitsgrade wird für eine PEM-Brennstoffzelle benötigt?
- 4.8: 99,998% Reinheit
- 3.7 für PEM Brennstoffzelle
Was versteht man unter Reaktionsenthalpie?
Warum ist H2 ein reales Gas?
- Weil es Abweichungen zum idealen Gas gibt. Und die Realgaszahl größer als 1 ist, außer der H2 ist tiefkalt.
Was passiert, wenn Wasserstoff komprimiert wird?
- Temperaturabfall, durch invertierten Joule-Thomson Effekt.
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