Economia hidrogenului

O economie a hidrogenului este un concept al unei economii energetice care utilizează în principal sau exclusiv hidrogenul ca purtător de energie . Până în prezent, o economie a hidrogenului nu a fost implementată în nicio țară de pe pământ.

Din punct de vedere chimic , hidrogenul este un purtător de energie primară , dar în natură practic nu este disponibil sub formă liberă, ci trebuie mai întâi obținut cu ajutorul altor surse de energie ( energie fosilă , energie nucleară sau energii regenerabile ). Prin urmare, o economie a hidrogenului nu este în mod automat sustenabilă, ci doar la fel de durabilă ca energiile primare din care se obține hidrogenul. Hidrogenul este produs în prezent în principal pe baza combustibililor fosili, cum ar fi metanul conținut în gazele naturale . Conceptele pentru economiile viitoare ale hidrogenului prevăd în principal producția de hidrogen din energii regenerabile, ceea ce înseamnă că o astfel de economie de hidrogen ar putea fi lipsită de emisii.

Deși nu s-a încercat încă nicio economie tradițională a hidrogenului în nicio țară din lume, există planuri de a integra din ce în ce mai mult hidrogenul sau combustibilii precum metanul sau metanolul în infrastructura energetică existentă ca parte a tranziției energetice și a extinderii energiilor regenerabile . Între timp, de exemplu, guvernul federal german a sporit din nou în mod semnificativ programele de finanțare pentru hidrogen verde produs regenerativ . În special, economia metanolului este discutată ca o alternativă mai rentabilă la economia hidrogenului .

poveste

• 1874 - scriitorul Jules Verne a descris într-un dialog între personajele sale fictive, când a fost întrebat ce ar trebui să fie ars în loc de cărbune în vremurile ulterioare, pentru prima dată viziunea utilizării hidrogenului și oxigenului ca sursă de energie.
• 1923 - Omul de știință John Burdon Sanderson Haldane a menționat pentru prima dată principiile de bază ale economiei hidrogenului într-un eseu.
• 1970 - Electrochimistul australian John Bockris a folosit pentru prima dată termenul „ economie de hidrogen ” în timpul unei întâlniri la Centrul Tehnic General Motors din Warren, Michigan. și, după Joseph J. Romm (* 1960), a modelat-o semnificativ în următorii ani.
• 1975 - Împreună cu fizicianul Eduard Justi , John Bockris a conceput conceptul complet al economiei hidrogenului.
• 1980 - Sub influența crizei petrolului , fizicianul Reinhard Dahlberg a dezvoltat conceptul unei economii a hidrogenului în care hidrogenul este generat în zonele deșertice folosind energia solară și transportat către consumatori prin conducte. Motivația principală a fost înlocuirea combustibililor fosili care se uscau. Dahlberg luase în considerare nu numai aspectele tehnice, ci și cele economice ale economiei sale cu hidrogen.
• 1994 - Institutul german de cercetare aerospațială (DLR) s-a ocupat de producția de hidrogen în deșert. Electrolizorul de 350 kW operat de celule solare a furnizat dovezi în momentul în care este posibilă producția de hidrogen stocabil și transportabil. Resursele solare disponibile ar putea furniza aceeași cantitate de energie pe un procent din suprafața terestră a Arabiei Saudite, precum este exportată anual ca țiței.
• 1999 - Guvernul islandez a inclus obiectivul unei economii a hidrogenului (supus fezabilității și viabilității economice) în programul său de guvernare. Islanda sa concentrat în special pe acțiunile de hidrogen pentru vehicule și flota de pescuit pentru a deveni independent de petrol. Țara nu are combustibili fosili degradabili, dar este bogată în energie hidroenergetică și energie geotermală. Pentru a promova acest obiectiv, a fost fondată Noua Energie Islandeză .
• 2002 - Economistul Jeremy Rifkin a descris conceptul economiei hidrogenului în cartea sa Revoluția hidrogenului . Pentru Rifkin, efectele negative asupra economiei din cauza creșterii prețurilor la petrol și a obiectivului combustibililor fosili ca „cel mai precar moment din istoria postindustrială” sunt o motivație importantă.
• În 2003, susținătorul anterior al hidrogenului, Ulf Bossel, a criticat rentabilitatea redusă a economiei hidrogenului
• În 2006, Joseph J. Romm a analizat perspectivele unei economii a hidrogenului în SUA și a spus: „Când unii oameni pretind că economia hidrogenului este deja la îndemână, se referă pur și simplu la un sistem economic centrat în jurul hidrogenului din gazul natural și din alte combustibili fosili poluanți Combustibili. "
• 2007 - Parlamentul European, tot sub sfatul lui Jeremy Rifkin, a adoptat o declarație prin care se solicită crearea unei infrastructuri de hidrogen până în 2025. Explicația menționează încălcarea globală și costul în creștere al combustibililor fosili ca justificare.
• 2014 - Toyota introduce prima mașină cu hidrogen gata de utilizat cu pilă de combustibil în producție la scară largă, Toyota Mirai .
• 2017 - Japonia devine prima țară din lume care adoptă o strategie națională privind hidrogenul, iar alte țări urmează exemplul puțin mai târziu.
• 2020 - Uniunea Europeană și-a prezentat strategia privind hidrogenul ca parte a tranziției energetice.

Nivelurile unei industrii energetice

Ideile se bazează pe implementarea hidrogenului pe toate nivelurile industriei energetice:

1. Dezvoltarea surselor primare de energie necesare
2. Conversie de energie
3. Stocare a energiei
4. Utilizarea energiei
5. Comerț și distribuție de energie
6. Distribuție și facturare
7. Garanția securității aprovizionării

Producția de hidrogen

Până în prezent, hidrogenul a fost produs aproape exclusiv din combustibili fosili, în principal din metan. Cantitatea de hidrogen produsă în întreaga lume din gaze naturale și petrol greu a fost de aproximativ 310 miliarde m³ în 1999 și de aproximativ 9 miliarde m³ în Germania. Gazul natural și petrolul greu sunt surse de energie primară fosilă . Când hidrogenul este produs folosind aceste substanțe, se eliberează dioxid de carbon cu un potențial ridicat de încălzire globală. Acest lucru este contrar introducerii unei economii a hidrogenului ecologice, solicitată de Parlamentul European.

O parte din hidrogen este, de asemenea, produs ca subprodus în industria chimică , de ex. B. în reformarea benzinei și producția de etilenă . Cu toate acestea, este, de asemenea, un produs secundar al electrolizei clor-alcaline și al producerii gazului de cocserie prin gazificare cu cărbune . În 1999, industria chimică a produs 190 miliarde m³ iN la nivel mondial, iar în Germania 10 miliarde m³ iN. De obicei hidrogenul produs în acest mod este utilizat termic prin arderea lui direct la fața locului.

Producția din energie electrică (electroliză)

Pentru a permite o economie durabilă a hidrogenului, hidrogenul trebuie obținut din energii regenerabile. Aici vin v. A. energia eoliană și energia solară ( fotovoltaice și centrale termice solare ) în cauză, atât la nivel global și în Germania , au un potențial mai mare decât au mult biomasa. Se presupune că energia eoliană și solară va acoperi sarcina principală într-un sistem de energie regenerativă; unele studii chiar renunță complet la utilizarea biomasei. Majoritatea acestor concepte, cu toate acestea, au în vedere doar un rol suplimentar pentru hidrogen într-o economie bazată pe electricitate, nu o economie completă de hidrogen în sensul real.

Într-o industrie electrică complet regenerativă, cote mari de generatoare variabile precum energia eoliană și solară necesită stocare suplimentară pe termen lung pentru a compensa. În acest scop, sistemele de stocare a substanțelor chimice, cum ar fi producția de hidrogen, posibil în legătură cu metanarea în aval, intră în discuție. În cazul producerii, stocării și reconversiei ulterioare a hidrogenului, eficiența este în prezent (2013) maximă de 43%, în metanare 39%. Sterner și colab. indică intervale de eficiență între 34 și 44% pentru producția, stocarea și reconversia lanțului de hidrogen. Se presupune că, în perspectivă, se va atinge o eficiență electrică globală de până la maximum 49-55%.

Acest proces a fost utilizat din octombrie 2011 într-un proiect pilot la Enertrag din Prenzlau , Brandenburg . Electricitatea care nu este necesară a fost transformată în hidrogen cu un electrolizator de presiune de 500 kW și este astfel disponibilă pentru stațiile de alimentare cu hidrogen sau, dacă este necesar, este transformată din nou în electricitate într-o centrală hibridă .

Greenpeace Energy furnizează, de asemenea, hidrogen din energia eoliană în exces din octombrie 2011, care este alimentat în rețeaua de gaze naturale în forma sa pură sau transformat în metan.

Audi AG a fost planificat, începând cu anul 2013, în Saxonia Inferioară Werlte pentru a genera hidrogen energia eoliană. Hidrogenul produs ar trebui mai întâi transformat în GNC pentru a fi utilizat ca combustibil pentru vehiculele cu gaze naturale . Hidrogenul produs poate fi utilizat și direct în vehiculele cu pile de combustie .

Electroliza la temperaturi ridicate promite niveluri ridicate de eficiență, deoarece cererea de energie electrică scade odată cu creșterea temperaturii. Electroliza la temperaturi ridicate prezintă un interes deosebit în centralele solare termice . Procesul a fost în faza de dezvoltare în 2011.

Institutul Fraunhofer din Leuna cercetează, de asemenea, procese pentru producția durabilă și ieftină de hidrogen. Electricitatea necesară pentru aceasta este furnizată de surse regenerabile de energie. Fabrica pilot pentru producția de hidrogen verde este programată să intre în funcțiune în 2019.

Hidrogenul din bioenergie

Producția de hidrogen din biomasă este în mare parte neutră din punct de vedere climatic, deoarece hidrogenul și carbonul obținut din atmosferă / biosferă au fost îndepărtați anterior prin fotosinteză . Cu toate acestea, efortul de a genera astfel. B. se iau în considerare îngrășămintele, pesticidele, cheltuielile pentru transport și prelucrare, precum și prelucrarea biomasei. Neutralitatea climatică corespunde introducerii unei economii a hidrogenului ecologice, solicitată de Parlamentul European.

Hidrogenul poate fi obținut din biomasă prin fermentare sau termochimic , de ex. B. prin reformarea cu abur .

Producția pe scară largă de hidrogen din biomasă nu există (începând cu 2011). Procedurile sunt în mare parte încă în faza de dezvoltare. Un exemplu în acest sens este proiectul „ Blue Tower ” din Herten . Fabrica planificată ar trebui să producă 150 m³ de hidrogen pe oră, proprietarul principal, compania Solar Millennium AG, a dat faliment la sfârșitul anului 2011.

Potențialul și cerințele de teren ale culturilor energetice

În Germania, cererea de energie primară în 2014 a fost de aproximativ 13.000 PJ. Conform scenariilor energetice ale guvernului federal , suprafața utilizată pentru producerea de biomasă se poate ridica la aproximativ 4 milioane de hectare până în 2050 (2011: 1,8 milioane de hectare) fără a concura cu producția de alimente . Aceasta reprezintă doar 24% din terenul utilizat astăzi pentru agricultură . Din aceasta se calculează un potențial de energie primară de 740 PJ (18,5 MJ / kg la 10 t / ha).

Folosind exemplul valorilor randamentului Miscanthus (18,5 MJ / kg până la 20 t / ha) , se calculează un potențial de energie primară de 1480 PJ / an. Valoarea poate fluctua foarte mult în funcție de parametrii asumați.

Cu toate acestea, producția de hidrogen din biomasă, pe lângă utilizarea sa energetică directă, concurează și cu lichefierea biomasei . Ca purtător de energie, combustibilii obținuți în acest mod au o densitate de energie mai mare decât hidrogenul și sunt mai ușor de manevrat.

Potențialul reziduurilor biogene

Reziduurile biogene din agricultură, lemnul de conservare a peisajului , reziduurile forestiere și reziduurile industriale nepoluate pot fi, de asemenea, utilizate pentru a produce hidrogen. Ministerul Federal al Mediului estimează potențialul reziduurilor biogene la 900 PJ.

Depozitarea și distribuția hidrogenului

Într-o infrastructură complet dezvoltată, cu cantități de cumpărare corespunzătoare, distribuția prin conducte ar putea fi mult mai eficientă din punct de vedere energetic și mai rentabilă. O mare parte a rețelei existente de gaze naturale ar putea fi utilizată în acest scop. Rețeaua de gaze naturale este potrivită pentru absorbția hidrogenului. Înainte de trecerea la gazul natural, rețelele de gaze din Germania erau exploatate cu gaz de oraș , care consta din 51% hidrogen. Energia este transportată pe o rețea de gaze cu pierderi semnificativ mai mici (<0,1%) decât cu o rețea de electricitate (8%). În cazul hidrogenului pur, există, în principiu, problema fragilizării hidrogenului , deoarece hidrogenul sub formă atomică se poate difuza cu ușurință în structura cristalină a majorității metalelor și, prin urmare, există cereri crescute de impermeabilitate. Capacitatea de stocare în rețeaua de gaze naturale din Germania este mai mult de 200.000 GWh și poate stoca temporar energia necesară pentru mai multe luni. Pentru comparație: capacitatea tuturor centralelor electrice germane cu pompare este de numai 40 GWh. Ministerul Mediului, Conservării Naturii și Transporturilor din statul Baden-Württemberg dorește să sprijine extinderea unei infrastructuri de hidrogen în viitor (începând cu 2011). Există, de asemenea, experiență practică cu conductele de hidrogen:

• O rețea de hidrogen lungă de peste 240 km este operată în zona Ruhr de zeci de ani .
• În Saxonia-Anhalt există un sistem de conducte de hidrogen bine dezvoltat, lung de 90 km, operat de Linde-Gas AG într-o regiune cu o cerere puternică de gaze industriale între Rodleben - Bitterfeld - Leuna - Zeitz .
• În 2010, în întreaga lume existau peste o mie de kilometri de conducte de hidrogen. Air Liquide operează 12 rețele de conducte cu o lungime totală de 1200 km.

Există încă probleme cu stocarea pe termen lung. O parte din hidrogenul se evaporă din criotanți dacă nu este asigurat consumul continuu. De exemplu, la BMW Hydrogen 7 cu rezervor de hidrogen lichid, evacuarea gazelor a început după 17 ore de repaus; după nouă zile, un rezervor pe jumătate plin s-a evaporat.

Utilizarea energetică a hidrogenului

Cel mai important element în utilizarea hidrogenului este celula de combustibil . Convertește energia conținută de hidrogen în căldură și electricitate.

Utilizați în casă

În cazul producerii de energie electrică internă utilizând celule de combustibil, ca și în cazul tehnologiei centrale termice de tip bloc , poate fi de asemenea implementat un sistem combinat de căldură și energie electrică , ceea ce crește eficiența generală. Deoarece accentul este pus pe producția de căldură în acest mod de funcționare , aceste sisteme sunt controlate în funcție de cererea de căldură, excesul de energie electrică generat fiind alimentat în rețeaua electrică publică.

Vaillant a dezvoltat un încălzitor cu pilă de combustibil care poate fi acționat și cu gaz natural printr-un reformator .

Eficiența teoretică realizabilă legată de puterea calorică este de aproximativ 83%. Dacă eficiența este legată de puterea calorică , așa cum este obișnuit cu centralele termice și motoarele cu ardere internă, eficiența maximă teoretică este de aproximativ 98%. Eficiența specificată a sistemului este cuprinsă între 40% și 65% în funcție de tipul de celulă de combustibil, deși nu este clar dacă acestea sunt legate de puterea calorică sau puterea calorică.

Utilizare în trafic

Un vehicul alimentat cu hidrogen are, în general, un rezervor de presiune (de exemplu, 700 bar) care poate fi alimentat la o stație de alimentare cu hidrogen. În mai 2000, BMW a prezentat la Berlin prima serie de 15 mașini cu hidrogen cu denumirea de tip 750hL . Metodele de generare a energiei sunt fie un motor cu combustie internă în mare parte convențional, similar cu conducerea cu gaz natural, fie o „combustie rece” într-o celulă de combustibil. În vehiculul cu celule de combustibil, celula de combustibil generează electricitate care acționează un motor electric.

Motor cu combustie interna

Ca gaz combustibil, hidrogenul poate fi ars într-un motor cu ardere internă („motor cu ardere cu hidrogen ”), similar vehiculelor cu gaz natural. Un exemplu al acestei aplicații a fost BMW Hydrogen 7 . Klaus Draeger, membru al Consiliului de Dezvoltare BMW, a anunțat la sfârșitul anului 2009 că nu va exista o nouă flotă de testare a hidrogenului pentru moment.

Celule de combustibil

În vehiculul cu celule de combustibil, celula de combustibil generează electricitate care acționează un motor electric.

Tehnologia hidrogenului este testată și în autobuze. Autobuzele cu hidrogen din 2009 au atins o autonomie de aproximativ 250 km cu 35 kg de hidrogen. Există acum câteva autobuze, de ex. B. Mercedes-Benz Citaro FuelCELL-Hybrid , care funcționează cu pilele de combustibil.

Mașinile cu celule de combustibil sunt mult mai scumpe decât mașinile electrice. Potrivit lui Fritz Henderson ( CEO al General Motors ), un astfel de vehicul va costa în jur de 400.000 de dolari (începând cu 2009). Producătorii de vehicule Toyota , Nissan , Mercedes-Benz și Honda au redus, conform propriilor declarații, drastic costurile de producție pentru vehiculele alimentate cu hidrogen. ( Toyota Mirai, de exemplu, poate fi cumpărat în Germania cu puțin sub 80.000 EUR.) Toyota produce mașini H ₂ în serie mică și se bazează pe pile de combustibil pe scară largă.

Cu Mercedes-Clasa B F-Cell și două vehicule din seria pre Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), s-au atins intervale de 500 km la viteze maxime de 80 km / h. Pentru a demonstra adecvarea pentru utilizarea zilnică a motorului cu hidrogen, Daimler a realizat cu succes o „circumnavigație” a lumii cu mai multe vehicule cu pilă de combustibil din clasa B. 200 de vehicule din acest tip au fost livrate clienților în 2010.

Cu tehnologia Hydrail din 2005, vehiculele feroviare s-au concentrat, de asemenea. Compania de Căi Ferate Japoneze de Est a fost una dintre primele companii care a pus în funcțiune o locomotivă hibridă în scopul testării. La sfârșitul anului 2017, 14 trenuri cu motoare cu pile de combustibil au fost comandate de la producătorul Alstom din Saxonia Inferioară.

De Federal Elvețian Căilor Ferate SBB conduce începând cu primăvara anului 2014 , în rulare sale minibaruri pile de combustie cu hidrogen alimentat pentru a obține suficient de alimentare cu energie pentru built-in espresso mașină pentru a avea pe drum, care este acum pe drum și pasagerii de cappuccino poate oferi. Acumulatorii obișnuiți folosiți până acum ar fi fost prea grei pentru această sarcină consumatoare de energie.

Eficiența lanțului energetic

Definitia termenilor

Trebuie făcută o distincție între eficiența costurilor ca măsură a rentabilității banilor , luând în considerare costurile implicate . Cu cât o tehnologie este mai rentabilă , cu atât este mai mare rentabilitatea acesteia . Eficiența energetică este o măsură a randamentului energetic în funcție de energia utilizată. Cu cât o tehnologie este mai eficientă din punct de vedere energetic , cu atât este mai mare eficiența acesteia . Eficiența ecologică este o măsură a durabilității și a compatibilității cu mediul. Este adesea calculat pe baza emisiilor de CO ₂ cauzate de combustie, de exemplu dacă combustibilii fosili sunt utilizați în producție.

Eficiența costurilor nu merge neapărat mână în mână cu eficiența energetică și eficiența ecologică. La fel și z. De exemplu, o centrală electrică pe cărbune cu o eficiență de 30-40% are o eficiență energetică slabă la generarea de energie electrică, dar poate fi foarte rentabilă și, prin urmare, economică, cu un preț scăzut al cărbunelui.

Exemplu: lanțul de conversie fântână în rezervor fără rețea de conducte:

Energia electrică eoliană → Transportul energiei electrice → Hidrogenul de la reformarea aburului → Lichidarea hidrogenului → Transportul într-un cisternă → transferul / depozitarea la benzinărie

nu este deosebit de eficientă din punct de vedere energetic din punct de vedere al eficienței tehnice. 1 kg de hidrogen a costat doar 9,50 euro în 2018. Acesta este prețul hidrogenului pe care clientul trebuie să îl plătească la stația de alimentare, adică inclusiv investițiile pentru construcția și funcționarea stației de alimentare cu hidrogen , dar fără a lua în considerare subvențiile de stat și costurile mai mari pentru achiziționarea vehiculului.

Uleiul mineral și hidrogenul sunt impozitate diferit în Germania: nu se percepe nicio taxă pe ulei mineral sau energie pe hidrogen .

	Vehicul cu ...
	... celule de combustibil	... baterie de tracțiune	... motor pe benzina
Tip de vehicul	Mercedes-Clasa B, vehicul cu celule de combustibil	Mercedes-B-Class Electric Drive cu baterie de tracțiune	Mercedes-Clasa B cu motor pe benzină
Consum la 100 km	0,97 kg	16 kWh	7 l
Prețul combustibilului	9,50 € / kg	0,30 € / kWh	1,45 € / l (benzină premium)
Cost pentru 100 km	9,21 EUR	4,80 €	10,15 EUR

Aceasta înseamnă că, în ceea ce privește consumul de combustibil, vehiculul cu celule de combustibil este mai economic în funcționare decât vehiculul cu motor pe benzină, în ciuda eficienței energetice moderate, dar mai puțin economic decât acționarea electrică directă cu o baterie de tracțiune .

Potrivit raportului Hart , costurile utile ale energiei atunci când se utilizează hidrogen neimpozit generat în mod convențional prin reformarea aburului sunt destul de competitive în raport cu benzina. Impozitarea preconizată ar fi compensată de creșterea prețurilor benzinei. Studiul citat presupune prețuri constante pentru producția de hidrogen.

Eficiența într-o economie de hidrogen

Atunci când se determină eficiența unei economii de hidrogen, trebuie luat în considerare întregul lanț de conversie de la producerea hidrogenului până la generarea energiei finale pentru consumator.

Evaluările privind eficiența surselor sunt uneori foarte diferite, deoarece multe procese sunt încă în curs de dezvoltare și experiența lor practică de producție lipsește. În prezent, nu există nicio aplicație la scară largă, astfel încât datele de eficiență pentru producția de hidrogen, în special, s-au bazat până acum în cea mai mare parte pe calculul cu combustibili fosili.

Valorile asumate pentru gradele de eficiență au fost calculate în medie din intervalul de fluctuație și, în realitate, pot devia în sus sau în jos. Prin urmare, eficiența globală calculată poate fi doar valori aproximative.

Artă	Eficiență presupusă	Date din diverse surse
Hidrogen termochimic din biomasă	0,75	Eficiența producției termochimice de hidrogen din biomasă este dată între 69% și 78%, în funcție de proces.
Hidrogenul din electroliză	0,80	Eficiența electrolizei apei este dată de 70 până la 90%. Generarea de energie electrică are, de asemenea, o eficiență <100%, ceea ce reduce și mai mult eficiența generală în ceea ce privește sursele de energie primară fosilă sau nucleară și biomasa. Cu metoda de eficiență dominantă la nivel internațional, acest lucru se aplică tuturor surselor de energie cărora li se poate atribui o putere calorică. În schimb, în ​​cazul energiilor regenerabile, cărora nu li se poate atribui nici o putere calorică (de exemplu, energia eoliană sau hidroenergia), se aplică o eficiență de 100% în solduri, astfel încât aici energia finală este egală cu energia primară.
Transportul hidrogenului în rețeaua de gaze	0,99	Pierderi <0,01% în rețeaua de gaze.
Electricitate și căldură de la încălzirea cu pilă de combustibil	0,85	Eficiență de 85% pe baza puterii calorice cu reformer. În cazul sistemelor de încălzire , eficiența poate fi legată și de puterea calorică a combustibilului utilizat, ceea ce poate duce la eficiențe de peste 100%, deoarece căldura de vaporizare recuperată nu este inclusă în puterea calorică.
Pilă de combustibil electrică	0,60	Eficiența electrică a pilelor de combustibil este dată între 35% și 90% . Eficiența electrică a unei celule de combustibil PEM este de 60%.
Baterie litiu-ion	0,94	Bateriile litiu-ion au o eficiență de 90-98% .
Motor electric	0,95	Eficiența motoarelor electrice este dată între 94% și 97% . Motoarele de tracțiune sunt în general foarte eficiente.
Compresie hidrogen la 700 bari	0,88	Pierderile în timpul compactării sunt de aproximativ 12% .

Într-o economie cu hidrogen, acest lucru are ca rezultat lanțul energetic

Hidrogen din biomasă → Transport în rețeaua de gaze → Electricitate și căldură de la încălzirea cu pilă de combustibil

o eficiență de 0,75 × 0,99 × 0,95 = 0,70 .

Lanțul energetic apare pentru vehiculele cu celule de combustibil

Hidrogen din biomasă → Transport în rețeaua de gaze → Compresie la 700 bari → Pilă electrică de combustibil → Motor electric

cu o eficiență de 0,75 × 0,99 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,37 .

Pentru comparație: grade de eficiență în industria energiei fosile

Artă	Eficiență presupusă	Date din diverse surse
Hidrogenul din reforma gazelor naturale	0,75	Valori practice pentru reformare și prelucrare pe scară largă
Electricitate de la centrale electrice pe cărbune	0,38	Eficiență de 38% în medie pentru centralele electrice germane pe cărbune. În 2010, ponderea centralelor electrice pe cărbune și lignit în producția de energie electrică din Germania a fost de 43% ; până în 2019 scăzuse la 29,1% și se așteaptă puțin mai mult de 20% pentru 2020.
Transmiterea puterii	0,92	Pierderi de 8% în rețeaua electrică
Transportul și prelucrarea benzinei cu motor	0,85	Producția și furnizarea de combustibili fosili, cum ar fi benzina și motorina din țiței, au loc cu eficiențe de până la 85%.
Motor pe benzina	0,24	Motoarele Otto au o eficiență de 10–37%

Pentru energia electrică de la o centrală electrică pe cărbune, rezultă lanțul energetic

Centrală electrică pe cărbune → electricitatea transportă o eficiență de 0,38 × 0,92 = 0,35 .

Pentru un vehicul cu celule de combustibil cu generare de hidrogen fosil prin electroliză, lanțul energetic este

Centrală electrică pe cărbune → transport de energie electrică → electroliză → compresie → BSZ → motor electric o eficiență de 0,38 × 0,92 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,14 .

Pentru un vehicul cu celule de combustibil cu producție de hidrogen fosil prin reforma gazelor naturale (în prezent standard), rezultatul este lanțul energetic

Reformarea aburului → compresie → BSZ → baterie → motor electric o eficiență de 0,75 × 0,88 × 0,6 × 0,94 × 0,95 = 0,35 .

Pentru un vehicul electric alimentat cu baterii, care este încărcat cu energie electrică din cărbune pur, rezultatul este lanțul energetic

Centrală electrică pe cărbune → transmisie de energie → baterie → motor electric o eficiență de 0,38 × 0,92 × 0,94 × 0,95 = 0,31 .

Mixul real de energie electrică din Germania crește eficiența în funcție de ponderea producătorilor de energie electrică.

Pentru un vehicul cu motor pe benzină, rezultatul este cu lanțul energetic

Transportul și prelucrarea benzinei cu motor → Motorul Otto are o eficiență de 0,85 × 0,24 = 0,20 .

Comparația arată că eficiența generală a unei economii de hidrogen poate fi cu mult peste cea a economiei de energie fosilă stabilită.

Pentru comparație: niveluri de eficiență la vehiculele electrice

Atunci când se încarcă cu energie electrică verde din autogenerare, urmează următoarele:

Pentru vehiculele electrice cu baterii cu lanț energetic

Sistem fotovoltaic / invertor → baterie staționară → baterie în vehicul → motor electric

o eficiență de 0,9 × 0,94 × 0,94 × 0,95 = 0,75 .

Pentru vehiculele electrice cu pile de combustibil cu lanț energetic

Sistem fotovoltaic / invertor → baterie staționară → electroliză → compresie la 700 bari → pilă de combustibil → motor electric

o eficiență de 0,9 × 0,94 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,34 .

Acest lucru nu ia în considerare faptul că producția internă de hidrogen utilizând curent continuu fotovoltaic la fața locului și compresia / alimentarea maximă pentru uz privat, spre deosebire de utilizarea privată a energiei electrice, este inexistentă din punct de vedere tehnic. În cazul transportului de energie regenerativă prin rețeaua de curent alternativ și transportul necesar al hidrogenului la stațiile de alimentare și depozitare a acestuia (mai ales sub formă de hidrogen lichid ), eficiența întregului lanț pentru vehiculele cu pile de combustibil este dată de 20 până la 25%.

Comparația arată că vehiculele alimentate cu baterii sunt mai eficiente. Dacă există o nevoie suplimentară de încălzire / răcire, este necesară energie pentru generarea încălzirii / răcirii. Acest lucru poate reduce intervalul cu până la 50%, în funcție de greutatea și temperatura bateriei. Chiar și în cazul vehiculelor cu pile de combustie, ca și în cazul vehiculelor cu motoare cu combustie, există un consum semnificativ mai mare în timpul iernii. Cu toate acestea, datorită cantității mai mari de energie transportată, acest consum suplimentar nu are un impact la fel de semnificativ asupra gamei ca la o mașină electrică.

Protecția mediului și a climei

Utilizarea energiilor regenerabile este adesea neutră din punct de vedere climatic și fără emisii. Cu toate acestea, atunci când se utilizează biomasă și se ard lemne, pot fi produși poluanți. În plus, poluanții atmosferici pot fi produși și în timpul gazificării în hidrogen sau în utilizarea hidrogenului, de exemplu oxizi de azot în cazul arderii slabe. Cheltuielile pentru cultivarea, extracția și prelucrarea biomasei trebuie luate în considerare într-o considerație ecologică , precum și eficiența plantei pe baza eficienței maxime (teoretice) a procesului respectiv. Utilizarea biomasei poate reduce, de asemenea, efectul de seră: dacă CO _{2 este produs} în formă concentrată în timpul producției de hidrogen , acesta poate fi stocat în subteran și astfel retras din ecosistem.

Incorporarea cocsului organic în câmp, care se creează atunci când gazificarea este controlată în consecință, poate face câmpul mai fertil și este cunoscut sub numele de terra preta .

În 2003, oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din California din Pasadena s-au temut, pe baza simulărilor, că o economie cuprinzătoare a hidrogenului ar putea elibera în atmosferă aproximativ 100 de milioane de tone de hidrogen și, astfel, să strice stratul de ozon .

Conform unor studii științifice mai recente efectuate de Forschungszentrum Jülich în 2010, acest efect va fi neglijabil dacă se fac ipoteze realiste. Predomină efectul pozitiv al neutilizării combustibililor fosili . Inițial, se presupunea că aproximativ 20% din hidrogen scapă în atmosferă. Datorită evoluțiilor tehnologice, acum se presupune că mai puțin de 2% scapă. În plus, hidrogenul își dezvoltă efectul complet dăunător ozonului doar în prezența CFC-urilor . Odată cu scăderea CFC în următorii câțiva ani, va predomina reconstrucția stratului de ozon .

Risc de accident într-o economie de hidrogen

Este hidrogen, de ex. B. benzină sau gaz natural, extrem de inflamabil . În sistemele tehnice, trebuie luate în considerare proprietățile specifice ale hidrogenului. Industria chimică folosește hidrogen în cantități mari de peste o sută de ani, astfel încât există suficientă experiență în manipularea hidrogenului.

Datorită densității sale reduse, hidrogenul este un gaz foarte volatil. În aer liber se poate evapora foarte repede în straturi de aer mai înalte. Cu toate acestea, se cunosc și accidente reale în care amestecurile de hidrogen inflamabile s-au acumulat pe sol, deoarece amestecurile de oxigen / hidrogen cu o proporție mai mică de 10,5  % din volum de hidrogen sunt mai grele decât aerul și se scufundă la sol. Demixarea nu are loc imediat, astfel încât aprinderea este menținută până când limita de 4 procente de volum este sub-depășită. La manipularea hidrogenului, reglementările de siguranță și sistemele de ventilație trebuie să țină cont de acest comportament.

Rezervoarele sub presiune utilizate astăzi (spre deosebire de rezervoarele de benzină) pot rezista chiar și la accidente grave nedeteriorate. Vehiculele cu hidrogen cu rezervoare sub presiune pot fi parcate cu ușurință în parcări cu mai multe etaje și în garaje subterane. Nu există nicio dispoziție legală care să restricționeze acest lucru.

În schimb, vehiculele cu hidrogen lichid nu trebuie parcate în încăperi închise, deoarece degajarea poate provoca acumulări de gaze explozive.

critică

O economie a hidrogenului nu a fost încă realizată pe scară largă nicăieri și fezabilitatea sa este controversată. Următoarele afirmații sunt puse la îndoială: Economia hidrogenului este prezentată ca o alternativă la industria electricității. Susținătorii unei economii cu hidrogen subliniază pretinsa capacitate de stocare mai bună a hidrogenului decât cea a energiei electrice. Hidrogenul are proprietatea unui bun stocare pe termen scurt sub formă de fluctuații de presiune tolerabile într-o rețea de distribuție a conductelor (conducta în sine este stocarea), precum și capacitatea de stocare pe termen lung în caverne (la fel cum gazul natural este stocat în prezent ). Energia electrică necesară poate fi generată din hidrogen la fața locului cu ajutorul celulelor cu combustibil cu o eficiență semnificativ mai mare decât cea a centralelor electrice germane: cu toate acestea, sursele citate pentru eficiența energetică a celulelor cu combustibil au în vedere doar conversia gazelor naturale sau hidrogen în electricitate, dar nu iau în considerare pierderile de energie care apar în timpul producției, stocării și distribuției hidrogenului necesar. Conținutul de energie legat de volumul redus este, de asemenea, rar luat în considerare: „Un camion de 40 de tone poate transporta doar 350 de kilograme de hidrogen gazos”, spune Bossel, „și chiar și hidrogenul lichid este la fel de ușor ca poliuretanul”.

Vezi si

• Lista tehnologiilor de hidrogen
• Autostrada cu hidrogen
• Economia metanolului
• Parteneriatul pentru energie curată
• Zero Regio
• E-combustibil

literatură

• Jeremy Rifkin : Revoluția H2. Frankfurt pe Main 2005, ISBN 3-596-16029-4 .
• Joseph J. Romm: Boomul hidrogenului. Dorința și realitatea în cursa pentru protecția climei (titlu original: The Hype About Hydrogen , tradus de Jörg G. Moser). Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-31570-5 .
• Alf-Sibrand Rühle: hidrogen și economie. Investiți într-un viitor curat. Hydrogeit Verlag, Kremmen 2005, ISBN 3-937863-02-8 .
• Karl-Heinz Tetzlaff: Hidrogen pentru toată lumea: Cum putem scăpa de capcanele petroliere, climatice și de costuri. Cărți la cerere, 2011, ISBN 978-3-8370-6116-1 .
• Michael Ball, Martin Wietschel (Eds.): Economia hidrogenului: oportunități și provocări. Cambridge University Press, 2009, ISBN 978-0-521-17854-9 .

Link-uri web

• Cum funcționează economia hidrogenului pe YouTube , accesat pe 6 octombrie 2018.

Dovezi individuale