Systemkonzepte für die Umsetzung von 2-Propanol-Brennstoffzellen
In der Arbeitsgruppe von Dr. Lukas Weiß werden thermodynamische Systemanalysen von Antriebskonzepten mit Hilfe von Simulationen durchgeführt. In aktuellen Arbeiten von Katharina Braun werden Konzeptideen für eine 2-Propanol/Aceton-Brennstoffzelle analysiert und bewertet.
Link zum OpenAcess Artikel: Energetics of Technical Integration of 2‐Propanol Fuel Cells: Thermodynamic and Current and Future Technical Feasibility – Braun – 2022 – Energy Technology – Wiley Online Library
Hintergrund
Eine Herausforderung bei der Nutzung erneuerbarer Energien aus Sonne und Wind ist deren Volatilität. Diese Energiequellen können nicht wie klassische Kraftwerke an die aktuellen Strom-Anforderungen des Netzes angepasst werden. So kommt es zu Situationen, in denen zu viel oder zu wenig Strom zur Verfügung steht. Eine mögliche Lösung, damit umzugehen, ist, die überschüssige Energie durch Wasserelektrolyse chemisch in Wasserstoff zu speichern und bei Bedarf wieder rückzuverstromen.
Durch den Transport von Wasserstoff aus Regionen mit Energieüberschuss in energiehungrige Regionen der Welt kann ein Energieausgleich realisiert werden. Leider lässt sich Wasserstoff nur mit Pipelines über weite Strecken transportieren. Das Problem beim Wasserstofftransport besteht darin, dass die Energiedichte pro Volumen bei Wasserstoff sehr gering ist.
Eine Idee, den Transport von Wasserstoff flexibler zu gestalten, besteht darin, ihn chemisch an größere Moleküle zu binden, die als Träger dienen und die reversibel immer wieder mit Wasserstoff „aufgeladen“ und „entladen“ werden können. Diese meist organischen Moleküle nennt man flüssige Wasserstoffträger – oder auf englisch „liquid organic hydrogen carriers“ (LOHC).
Am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) erforscht man material- und prozessbasierte Lösungen für solche LOHCs. Die Gruppe von Prof. Simon Thiele untersucht in diesem Zusammenhang speziell das LOHC-Paar 2-Propanol-Aceton, wobei 2-Propanol die wasserstoffbeladene Substanz ist und Aceton die entladene Substanz. Während die Kollegen am HI ERN sehr tief die Elektrochemie und die dafür nötigen Materialien erforschen und verbessern, analysiert die Arbeitsgruppe von Dr. Lukas Weiß an der Professur für Fluidsystemtechnik auf Systemebene die Effizienz verschiedener Gesamtlösungen und trägt damit dazu bei, die Forschungsschwerpunkte in der Tiefe genauer zu identifizieren.
Weitere interessante Links zum Thema:
Übersetzte Kurzfassung in deutscher Sprache
Energetik der technischen Integration von 2-Propanol-Brennstoffzellen: Thermodynamische und aktuelle sowie zukünftige technische Machbarkeit
Katharina Braun,* Moritz Wolf, Ana De Oliveira, Patrick Preuster, Peter Wasserscheid, Simon Thiele, Lukas Weiß, and Michael Wensing
2-Propanol/Aceton ist ein vielversprechendes flüssiges organisches Wasserstoffträgersystem für Brennstoffzellenreaktionen. In dieser Arbeit werden sechs verschiedene Konzepte für ein 2-Propanol/Aceton-Brennstoffzellensystem in MATLAB-Simulationen auf ihre thermodynamische Integration und technische Machbarkeit hin untersucht. Vier der Konzepte verwenden eine direkte 2-Propanol-Brennstoffzelle, während die anderen beiden zunächst molekularen Wasserstoff aus 2-Propanol freisetzen und anschließend eine Wasserstoff-Brennstoffzelle verwenden. Das vorgestellte Flüssigphasen-2-Propanol-Brennstoffzellenkonzept ist thermodynamisch machbar, kann aber technisch nicht mit kommerziellen Nafion-Membranen realisiert werden, da sich die Membranen durch das 2-Propanol/Aceton/Wasser-Brennstoffgemisch auflösen. Gasförmige 2-Propanol-Brennstoffzellen haben einen hohen Heizbedarf für die Verdampfung des Brennstoffs. Eine direkte Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit 2-Propanol ist thermodynamisch machbar, weil weniger Wasser im Gesamtsystem vorhanden ist, technisch aber wegen der Veresterung von Phosphorsäure nicht machbar. Eine sehr interessante Option ist die Umwandlung von gasförmigem 2-Propanol in Druckwasserstoff in einem elektrochemischen Pumpschritt, gefolgt von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, da hier die Abwärme einer ausreichend heißen Wasserstoff-Brennstoffzelle die 2-Propanol-Verdampfung antreiben kann.
Original Kurzfassung in englischer Sprache
Energetics of Technical Integration of 2-Propanol Fuel Cells: Thermodynamic and Current and Future Technical Feasibility
Katharina Braun,* Moritz Wolf, Ana De Oliveira, Patrick Preuster, Peter Wasserscheid, Simon Thiele, Lukas Weiß, and Michael Wensing
2-Propanol/acetone is a promising liquid organic hydrogen carrier system for fuel cell reactions. Herein, six different concepts for a 2-propanol/acetone fuel cell system are evaluated in MATLAB simulation with respect to their thermodynamic integration and technical feasibility. Four of the concepts use a direct 2-propanol fuel cell while the other two first release molecular hydrogen from 2-propanol and subsequently use a hydrogen fuel cell. The presented liquid phase 2-propanol fuel cell concept is thermodynamically feasible but cannot be realized technically using commercial Nafion membranes, due to membrane dissolution by the 2-propanol/acetone/water fuel mixture. Gaseous 2-propanol fuel cells imply a high heating requirement for the evaporation of the fuel. A direct high-temperature fuel cell using 2-propanol is thermodynamically feasible because there is less water in the overall system but is not technically feasible because of the esterification of phosphoric acid. A very interesting option is the conversion of gaseous 2-propanol to pressurized hydrogen in an electrochemical pumping step followed by a hydrogen fuel cell, because here the waste heat of a sufficiently hot hydrogen fuel cell can drive the 2-propanol evaporation.
