Wie hoch ist die volumetrische und gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff, Erdgas, Benzin und Lithiumbatterien? (unter Standardbedingungen)
Wasserstoff: 33 kWh/kg | ~0 kWh/m^3
Erklären sie den technischen Wasserstoffkreislauf.
Wasserstoffproduktion --> Speicherung --> Nutzung
Produktion durch Sonnenenergie
Nutzung durch Verbrennen zu Wasser
Wie kann man Wasserstoff am dichtesten Speichern und woran liegt das?
Metallhydride > Flüssigspeicher > Hochdruckspeicherung
Grund: intermolekulare Abstoßkräfte, Einbettung im Metallgitter umgeht das
Was sind die verschiedenen Speichermethoden von Wasserstoff und was sind Vor und Nachteile
Komprimiert
Marktverfügbarkeit
Einfache Handhabung
Hohe Kosten
Tanks nicht recyclebar
Hohe Drücke (safety)
Kaltes H2 (energie)
Flüssig
Hohe Energiedichte
Verdampfungsverluste
Cryo-Komprimiert
Moderate Energiedichte
Synfuel
Hohe Temperaturen bei Betrieb
Giftige Speicherstoffe
Solid State (Metallhydrid)
Moderate Kosten (Tank)
Normale Temperaturen
Geringe Betriebskosten
Hohes Gewicht
Hohge Kosten (Speichermedium)
Was ist der Unterschied zwischen Absorption und Adsorption?
Absorption = Aufnahme in den Stoff
Adsorption = Anlagerung am Soff
Wie läuft der Prozess des Einlagerns im Metallhydrid ab und was ist die α- und β-Phase?
α-Phase: Wasserstoff gelöst im Metall
β-Phase: neue Metall-Wasserstoff Phase
Erkläre die Isotherme im p-c-Diagramm anhand α- und β-Phase.
Welche Elemente bilden Hydride?
Nahezu alle Elemente bilden Hydride. Nur einige Metalle, wie Eisen, Gold, Platin, in der Mitte des Periodensystems bilden keine Hydride. Diese werden aber teilweise zur Änderung der Eigenschaften beigemischt, zum Beispiel zur Destabilisierung.
Wie können Metallhydride chemisch eingeteilt werden?
In Legierungen (Einlagerung im Metallgitter) und Komplexe (Reaktion zu anderen Stoffen)
Wie können Metallhydride anwendungsbezogen eingeteilt werden?
Raumtemperaturhydride (z.B. LaNi5H6)
Mitteltemperaturhydridce (z.B. Sodium alanate)
Hochtemperaturhydrate (z.B. Magnesiumhydrid oder Lithium-Boronhydrid
Wie sind die Energiedichten der verschiedenen Speichermöglichekeiten von Wasserstoff?
Drucktank: ~max 50 kg/m^3
Flüssig (20.3 K): ~70 kg/m^3
MH: 80 bis 150 kg/m^3
Mit welchen Methoden können MH charakterisiert werden?
Einfache Charakterisierungsmethoden:
Titration (Sievert Apparat)
Röntgenbeugung durch Bragg Reflexion
Rasterelektronenmikroskop
Dynamische Differenzkalorimetrie
Angewandte Charakterisierungsmethoden
Massenspektrometer
Transient Plane Source (TPS)
Pyknometer
BET-Messung
Particle size distribution (PSD) analysis
Hydrogen tank testing facilities (HTTF)
Neutron imaging
Wie berechnet sich die Freie Gibbs Energie und warum ist die Speicherung in MH temperaturabhängig? Erkläre anhand der Gleichung.
ΔG = ΔH – T · ΔS
Absorption bei niedrigen Temperaturen, da die Reaktion eine hohe Enthalpiedifferenz hat.
Dehydrierung bei hohen Temperaturen, hier hat die Entropie mehr Einfluss.
Warum ist die Hydrierung auch Druckabhänig? Erkläre es anhand der van’t Hoff Gleichung.
ΔG = ΔG0 + R · T · ln(Xa) mit der Aktivität Xa = p/p0 bei iG.
—> ΔG = R · T · ln(peq/p0) = 0 bei gefundenem Gleichgewichtsdruck peq
—>ln(peq) = ΔH/(R*T) - ΔS/R
—> Druckabhängig
Erkläre die Aktivierungsenergie. Erkläre eine wichtige Gleichung diesbezüglich.
Teilchen brauchen mehr Energie als im Ausgangszustand vorhanden ist, um zu reagieren. Das kann beispielsweise durch kinetische Energie der Teilchen passieren. Diese kinetische Energie bekommen sie zum Beispiel druch höhere Temperaturen. Daher ist die Reaktion von der vorhandenen Energie, z.B. Temperatur abhängig, obwohl sie der thermodynamische Idealzustand wäre.
Diese Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit wird mit der Arrheniusgleichung beschrieben:
Wie kann man ΔH und ΔS durch messungen bestimmen?
Durch Bestimmen mehrere peq durch Bestimmen von Isothermen im p-c-Diagramm.
—-> aufstellen einer Geraden
—> ΔH und ΔS ablesen aus Steigung und Achsenabschnitt
Wie lässt sich für Ingenieure und keine Chemiker darstellen, wann absorbiert und desorbiert wird?
Gerade der van’t Hoff Gleichung ohne log und 1/T darstellen.
Wie kann die Betriebstemperatur von MH herabgesetzt werden?
Durch Destabilisierung mit anderen Metallen, die keine Hydride bilden.
Was sind die Nachteile von Destabilisierung durch andere Metalle?
Geringere Kapazität und höhere Hysterese
Welche kinetischen Schritte müssen geschehen zur Absorption von Wasserstoff in Hydriden? Wodurch können diese Schritte beschleunigt werden?
Spalten des H2 Moleküls - Katalysatoren
Diffusion in das Material - Mehr Kristallgrenzen durch geringere Kristallgrößen
Diffusion in die Kristalle - kleinere Kristallgrößen
Was ist High Energy Ball Milling?
Substrat wird mit Kugeln in Behältern gedreht und dabei durch die Zusammenstöße der Kugeln und Wände bearbeitet.
Was bewirkt High Energy Ball Milling?
Die Partikel werden kleiner gemahlen.
Die Kristallstrukturen werden kleiner und mehr Kristallgrenzen entstehen
Additive werden fein verteilt (Katalysatoren)
Welchen Effekt hat die Partikel- und Kristallgröße auf die Absorptionszeit?
linearer Zusammenhang zwischen Absorptionszeit und Partikelgröße < 1um
schnellere Absorption bei geringeren Kristallgrößen bis 12 nm, danach keine Verbesserung
Wie ist das Verhalten bei konventionellem, nanokristallinem und mit Katalysator angereichertem MH beim Be- und Entladen?
Was sind die drei Prozessteile, die beim Tank-Design eine Rolle spielen? Welcher Teil ist das Bottleneck bei der Anwendung?
3 Teile:
Wasserstofffluss in den Tank
Kinetische Aspekte (Diffusion in das Material)
Wärmemanagement
Wärmemanagement ist der Teil, der am schwierigsten umzusetzen ist und meistens auch das Bottleneck des Prozesses.
Welche 9 Schritte umfasst der Tankdesign Prozess?
Anwendung (definieren, herausfinden, planen)
Hydridmaterial auswählen
Hydridmaterial bearbeiten
Hybridmaterial charakterisieren
Tank: Form und Material auswählen
Wärmetauscher auslegen
Simulationen
Prototyp
Finales Produkt entwickeln
Was umfasst Schritt 1 des Designprozesses: Anwendung?
Staionär:
On-Site am Verbraucherort
On-Site am Produktionsort
Statinäre Stromerzeuger
Mobil:
Als Treibstoff: automotive, aerospace, marine
Transport
Was umfasst Schritt 2 des Designprozesses: Hydridmaterial auswählen
Kapazität
Geschwindigkeit des Be/Endladens
Kosten
Verfügbarkeit
Handhabbarkeit (in Luft)
benötigter Temperatur und Druck
… des Materials
Was umfasst Schritt 3 des Designprozesses: Hydridmaterial bearbeiten?
Verarbeitungsmöglichkeiten:
High Energy Ball Milling
Verbesserung der H2 Aufnahme
Powder oder Pellet?
Pellet:
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
nahezu keine Änderung des H2 Transports
Erhöhung der Dichte
radial höhere Wärmeleitfähigkeit aufgrund der plattgedrückten Kristalle —> längere Wärmeleitstecken ohne Korngrenzen
Was umfasst Schritt 4 des Designprozesses: Hydridmaterial charakterisieren?
Folgende Daten werden benötigt:
Thermodynamische Parameter, (p_eq, Enthalpie und Entropie der Reaktion)
Kinetische Parameter (E_a, A, Bottleneck schritt)
Wärmetauschparameter (Wärmekapazität und Wärmeleitung)
Dichten (Kristall und Schüttdichte)
Partikelgröße (Durchmesser und Permeabilität)
Was umfasst Schritt 5 des Designprozesses: Tank: Form und Material auswählen?
Größe und Form (meistens Rund)
Normkompatibilität (AD 2000)
TüV Zertifizierung
Druckbeständigkeit
—>meist Edelstahl
Was umfasst Schritt 6 des Designprozesses: Wärmetauscher auslegen?
Verschiedene Bauformen, Optimierung durch unterschiedliche Parameter:
k
delta x
A
h, T_0
Was umfasst Schritt 7 des Designprozesses: Simulationen?
FEM Simulationen von:
Speichermaterial
Hülle
Wärmeübertrager
Genauer, Simulation von:
Kinetik (Variable: Konzentration)
H2 transport (Variable: Partialdruck)
Wärmetransport (Variable: Temperatur
Welche Teile umfasst die Systemintegration des MH Speichers?
Strukturelle
Funktionale
Thermische
Hydraulische
… Integration in das Gesamtsystem
Was sind die Eigenschaften von H2, die die Nutzung von H2 erschweren?
hohe Diffusion durch meisten Materialien
Hohe Reaktivität
ähnliche Entzündungstemp. wie Methan (H2: 585 °C) ar hohe Flammengeschwindigkeit (346 m/s)
Hohe Range des entflammbaren Gemisches (4 - 73 vol%) (Methan: 5 - 14 vol%)
14 mal leichter als Luft (Dichte über eine Größenordnung auseinander)
unsichtbare Flamme, aufgrund keiner Rußpartikel, die glühen
Wie sind MH Speicher mit konventionellen Speichern finanziell vergleichbar?
Vergleichbar oder besser, teures Storage Material wird durch die niedrigeren Betriebskosten ausgeglichen.
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